（通信与信息系统专业论文）无线ofdm系统中信道估计算法研究.pdf

无线o f d m 系统中信道估计算法探讨 论文摘要( 中文) 信道估计是正交频分复用系统中的关键技术之一。只有对信号在多径 衰落信道中所经历的衰落做出准确实时的估计，系统才可以使用能够提高 接收机误比特率性能的相干检测。近来，o f d m 系统的信道估计技术已经 成为学者研究的焦点。根据算法的特点，信道估计可大致分为三类：基于 导频辅助的估计、盲估计和半盲估计。 本文在分析无线o f d m 系统原理的基础上，对现有的信道估计成果进 行了系统的研究，最后提出了两种信道估计的新算法。 1 、提出了一种基于斜线状导频结构的新算法，此方法充分利用了时间 轴、频率轴和欧氏距离最近的三个导频点上的导频信息，不仅适用于慢变 信道，也适用于快变信道。 2 、基于最大似然估计原理，提出了一种改进的盲信道估计算法，它利 用了以前人们弃之不用的循环前缀，并根据循环前缀的周期平稳性来进行 信道盲估计。这种算法是在接收端d f t 之前进行信道估计和均衡。 关键诃无线通信系统，正交频分复用，导频辅助信道估计，信道盲 估计 兰型查兰；! 兰堡：! 兰堡丝三 c h a n n e le s t i m a t i o ni nt h ew i r e l e s so f d m s y s t e m s a b s t r a c t c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ei so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si no f d m s y s t e m s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc a ne n h a n c et h e i rb e rp e r f o r m a n c eb yu s i n g c o h e r e n c ed e t e c t i o no n l yw h e nt h e yc o u l dm a k ep r e c i s ea n dr e a l - t i m ee s t i m a t i o n o ff a d i n gc o e f f i c i e n t so fm u l t i p a t hc h a n n e ! r e c e n t l y ，m o r ea n dm o r er e s e a r c h e s a r ef o c u s e do nc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e so fo f d m s y s t e m s a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sa l g o r i t h m s ，w ec a r lc l a s s i f yt h e mi n t ot h r e et y p e s ： p i l o t 。a s s i s t e dc h a n n e le s t i m a t i o n ，b l i n da n ds e m i b l i n de s t i m a t i o n i nt h i sp a p e r ， w es t u d yt h e p r o d u c t i o no ft h ec u r r e n te s t i m a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nt h e i n t r o d u c t i o no ft h ep r i n c i p l eo fw i r e l e s so f d ms y s t e m f i n a l l yt w on e w a l g o r i t h m sf o ro f d mc h a n n e le s t i m a t i o na r ep r o p o s e d 1 an e wa l g o r i t h mb a s e do nd i a g o n a lp i l o ts t r u c t u r ei s p r o p o s e df o r o f d ms y s t e m sc h a n n e le s t i m a t i o n t h i sm e t h o df u l l yu s e st h ep i l o tm e s s a g eo f t h et i m ea x i s ，t h es e q u e n c ea x i sa n dt h ep r o x i m a t ee u c l i d i a nd i s t a n c e ，w h i c hi s n o to n l ys u i t a b l et os l o wt i m ev a r y i n gc h a n n e lb u tt of a s to n e 2 b a s e do nt h em a x i m u ml i k e l i h o o d ，an e wc h a n n e lb l i n de s t i m a t i o n a l g o r i t h mi sg i v e n ，w h i c hu s e st h ea u t oc o r r e l a t i o nm a t r i xo ft h ev e c t o ro f r e c e i v e ds i g n a li nt h eo f d ms y s t e m s i te s t i m a t e st h ei n f l u e n c eo ft h eo f d m c h a n n e lb e f o r ed f tt r a n s m i t i k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，p i l o t - a s s i s t e dc h a n n e le s t i m a t i o n ，c h a n n e l b l i n de s t i m a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数 据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：簿日期：丞型二一丝二一； l 兰州大学工学硕士学位论文 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 赫。啤轹啤哪：一 1 1o f d m 技术的发展 一第一章绪论 正交频分复用( o f d m ) 的概念可追溯到上世纪6 0 年代，在文献【l 】中，c h a n g 最早提 出把一路高速串行输入数据分成多路并行低速数掘，并分别调制到许多相互正交的载波 上，通过延长并行数据的传输时间周期，达到消除码间干扰的目的。在o f d m 的概念 提出后不久，s a t t z b e r g ，c h a n g 和g i b b y 设计了个基于q a m 调制的o f d m 系统，并 对系统的性能进行了分析 2 】， 3 】。该系统是最早的o f d m 系统原形。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e l b e r t 把离散傅晕叶变换及其逆变换( d f t , i d f t ) 应用到并行 传输系统中，作为调制解调过程的一部分【4 】。这样就不再利用带通滤波器，而是经过基 带处理就可以实现f d m 。而且，这样在完成f d m 过程中，不再要求使用子载波振荡器 组以及相干解调器，可以完全依靠执行快速傅里叶变换( f f t ) 的硬件来实施。 1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 提出：在o f d m 帧的最前面插入长度大于信道记忆长度的 循环前缀( c p ) 信号，从而把多径衰落信道的线性卷积效应变换成循环卷积，而循环卷积 矩阵又可通过离散傅立叶变换及其逆变换矩阵转换成对角矩阵 5 】，达到将宽带频率选择 性衰落信道转换成一系列窄带平坦衰落信道的目的。这样，不仅克服了相邻o f d m 符 号间的相互干扰，还保证了接收信号载波问的正交性，通过接收端的单抽头频域均衡即 可补偿信道失真，使得o 阳m 系统的实现复杂度大大降低。 1 9 8 5 年以来，基于快速傅立叶变换及其逆变换( f f t ，i f f t ) 和循环前缀( c p ) 的o f d m 技术得到了广泛和深入的研究与发展。大量文献对o f d m 系统的同步【6 】、信道估计 7 1 ，【8 】：如何降低峰值平功率比【9 】、射频预失真补偿技术 1 0 】、如何将o f d m 技术与 c d m a 技术相结合【1 1 】以及基于空时或空频编码的多天线o f d m 系统 ( m i m o o f d i v 0 1 2 1 等问题进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。 1 2o f d m 技术的应用及主要优缺点 在理论研究与实验测试的基础上，o f d m 技术得到了广泛的应用。1 9 8 5 年c i m i n i 首次报道了o f d m 技术在无线通信中的应用及其系统测试结果 1 3 】，在随后的十多年期 间，o f d m 技术被许多通信标准所采用，估计3 g 以后的移动通信系统均将采用o f d m 兰州大学工学硕士学位论文 技术 8 h 1 3 】。文献【1 3 】，【1 4 】， 1 5 1 对o f d m 技术的原理及其应用作了较详细的总结和介 绍。 早在2 0 世纪6 0 年代，o f d m 技术就己经应用到多种高频军事系统中，其中包括 k i n e p l e x ，a d n e f t 以及k n t h r y n 等。以k n t h r y n 为例，其中的可变速率的数据 调制解调器可以最多使用3 4 个并行低速调相子信道，每个子信道之间的间隔为8 2 h z o 自从2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 已经在数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a dc a s t i n g ， d a b ) 和陆地数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l ，d v b ) 、基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 以有线电话网上基于现 有铜双绞线的非对称数字用户环路技术( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 中 得到了应用，主要是因为o f d m 可以有效地消除信号多径传播所造成符号间干扰( i s i ) 的这一特征。 近年来，o f d m 技术已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于o f d m 系统存 在如下的主要优点： 1 把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相应增加， 从而可以减小无线信道的时间弥散性所带来的i s i ，这样就减小了接收机内均衡的复杂 度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入c p 的方法就可以消除i s i 的不利影 响。 2 在传统的频分复用多路传输方式中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并 行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道，此种方法简单、直接，缺点是 子信道之间要留有足够的保护频带，频谱利用率低，而且多个滤波器的实现也有不少困 难。而o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因 此o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 3 各个子信道间的正交性的调制与解调可以利用i d f t 和d f t 实现，对于子载波数 比较大的情况下，可以通过i f f t f f t 算法来实现。 4 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行 链路的数据传输量，此外移动终端发射功率与基站发射功率相差很大。所以对于移动通 信，物理层需支持非对称高速数据传输。o f d m 系统可以容易地通过使用不同数量的子 信道来实现上行与下行链路中不同的传输速率。 5 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情 兰州大学工学硕j j 学位论文 况中，o f d m 系统可以通过比特分配和动态子信道分配的方法充分利用信噪比较高的予 信道，从而提高系统的性能。 6 o f d m 系统可以与其它多种接入方法相结合，构成o f d m a 系统，其中包括多载 波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m - t d m a 等等，使得多个用户可以同时 利用o f d m 技术进行信息的传输。 7 因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此o f d m 系统可以在某种程度上抵 抗这种窄带干扰。 在过去的2 0 年，o f d m 技术的研究取得了较大的进展，在许多通信标准中得到 了较为广泛的应用。但是，未来的无线通信系统的载波频率更高，通信容量更大，终端 的移动速度更快，使得信道的时变特性更加明显，对o f d m 技术提出了新的挑战。 为了使o f d m 技术更好地应用于未来超高速移动和超宽带无线通信系统，还有许 多问题需要解决，概括如下： 1 现有同步方法的精度有待进一步提高，包括载波同步和位同步。o f d m 系统最 明显的缺点是对定时和频率偏差敏感，当载波频率变高和通信速率加快时，对同步技术 提出了更高的要求。开发性能优越和复杂度较低的同步算法是当前和未来o f d m 技术 研究需要解决的问题之一 6 。 2 信道估计：由于相干解调方式具有较好的误码性能，在高速无线通信中得到广泛 应用。但相干解调需要使用信道信息，通常由接收端的信道估计算法得到【7 】，【8 】。由于 未来移动通信用户移动速度更快，信道的快变特性更加明显，对信道估计与跟踪算法提 出了更高的要求。另外，多天线及智能天线通信系统在未来移动通信中将得到更加广泛 的应用，多输入多输出o f d m 通信系统( m i m o o f d m ) 中的信道估计也是现在和未来 的研究重点之一。 3 信道编码与交织：信道编码是克服衰落信道中的随机误码的有效方法：交织对降 低信道中的突发错误具有重要作用。在o f d m 系统中，通常将信道编码与交织结合起 来使用，形成所谓编码型正交频分复用( c o f d m ) ，其系统性能可以明显提高。研究和开 发高效信道编码( 如t u r b o 码，l d p c 码，等) 和交织方法是o f d m 系统的重点之一。 4 载波间干扰( i c i ) 消除：载波问干扰可由载波同步偏差或者信道的快速变化产生。 一方面，未来无线通信载波频率更高，对载波同步与跟踪要求更严，在实际应用中载波 同步偏差不可避免，载波间干扰总是存在，在未来的高速无线o f d m 通信系统中更加 兰州太学二 学颤t ：学也论文 明显，另一方面，未来通信速率更高，用户移动速度更快，导致信道的快变特性更加明 显，信道参数在个o f d m 符号周期将有明显变化，产生载波闻干扰( i c i ) 。研究载波 同步偏差与i c i 消除及系统均衡也是未来o f d m 技术的需要解决的问题。 i 峰值平均功率比问题；o f d m 传输波形为多个正交子载波己调信号的叠加，当 这些已调信号以同相方式相加时，会产生较大的峰值功率，特别是当于载波数量较大时， 峰值平均功率比( 鼢p r ) 现象会更明显，射频功率放大器线性范围很难满足要求，导致信 号明显失真和载波间的相互干扰，严重影响o f d m 系统的性能 9 。为了节省频谱资源， 未来的高速无线通信系统的载波数较大，高峰值平均功率比问题将更加突出。如何更有 效降低峰值平均功率比是未来o f d m 系统需要解决的问题。 6 预失真技术：虽然可以采用一些方法来降低峰值平均功率比，但在实际应用中峰 值平均功率比有时依然较大，难以满足实际通信系统的要求。采用预失真技术来补偿射 频功率放大器的非线性失真是o f d m 系统设计中常用的有效方法。许多学者在这方 面进行了大量研究，也是当前o f d m 技术的研究重点之一。 7 多天线o f d m 技术( m i m o o f d m ) ：多天线无线通信能明显提高通信系统容量 和改善通信质量，并能有效提高信道的频谱利用率。基于空时或空频编码的多天线 o f d m 系统是当前无线通信研究的热点，也是今后的研究方向和重点【16 】。 1 3 研究背景 论文的研究背景是o f d m 技术应用到蜂窝无线移动通信中，即无线o f d m 通信系 统【1 2 】， 1 3 】。无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道的时变性和多径传播引起的， ， 如何有效地对抗无线信道的这些传输缺陷是实现未来高速无线通信的必要条件。所以在 无线o f d m 系统中，存在许多关键技术，包括同步技术、信道估计、降低峰均l i 二( p a r ) ， 编码o f d m ( c o d e do f d m ，c o f d m ) 以及分集技术( m i m o o f d m ) 等诸多领域。论文的主 要研究方向是无线o f d m 系统中的信道估计问题。 在无线o f d m 系统中，为了提高系统的频谱效率，o f d m 系统需要采用幅度非恒 定的调制方式，例如m 元正交幅度调制( m - a r r a yq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ， m q a m ) ，这种情况下，接收机需要信道状态信息( c h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n ，c s t ) 才能进 行相干解调，即使对于正交相移键控( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g , q p s k ) 这样的幅度恒 定的调制方式，利用c s l 进行相干解调要比差分解调提高系统的性能3 - 4 d b ，所以o f d m ：；： 一 兰型查兰：! 兰竺圭兰堡堡兰 接收机的一个主要任务就是进行信道估计( c h a n n e le s t i m a t i o n ) 。 o f d m 系统中的信道估计算法粗略的可以分为两种，一种是基于导频的信道估计算 法f c h a n n e le s t i m a t i o nb a s e dp i l o t ) ，另外一种就是信道盲估计算法( b l i n de s t i m a t i o n ) 。 在基于导频的信道估计算法中，由于无线信道中存在 c i 和i s i 以及加性高斯白噪声 ( a d d i t i v e 、h i t e g a u s s i a n n o i s e ，a w g n ) ，所以信道估计的误差对于接收机的性能的影响 很大。为了提高系统性能就必须采用性能更好的算法，但性能好的算法其运算复杂度很 高，所以无线o f d m 系统中信道估计算法一个主要任务就是在算法性能和复杂度之间 的折衷。 在基于导频辅助的信道估计算法中，必须在发送数据符号中插入已知符号，即导频。 插入导频会浪费有限的频谱资源，为了进一步地提高频谱资源，一种更先进的信道估计 算法就是利用发送数据或是接收数据之间的统计特性对信道脉冲响应( c h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e ，c i r ) 或信道频率响应( c h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o n s e ，c f r ) 进行估值，这就称之为 信道盲估计。 兰州大学工学硕l 学位论文 2 1 引言 一第二章无线o f d m 系统的原理 蓁世瘥暇一珩： 嵩 | | | 指罐菲雍晔未 2 2o f i ) m 系统的基本模型 o f d m 技术的基本原理是：在频域内将给定的信道分成若干个独立的正交予信道， 在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。各个子信道的载波 间保持正交，调制后的频谱相互重叠，这样可以减少子信道之间的相互干扰，提高频带 利用率。同时在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道带宽。因此虽然整 个信道是非平垣的，具有频率选择性，但是每个子信道却可以看成平坦性衰落，大大减 兰州大学工学硕：l 学位论文 少符号1 日j 干扰i s i 。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 首先提出了用离散快速傅里叶变换f f t 和逆快速傅里 时变换i f f t 来等效实现多个调制解调器功能的思想，极大地简化了o f d m 系统结构。 假设需要发送的复数序列 x = a + 见j ，将x n 分成个一组，假设x ，的码元周期 为i ，每个子载波的符号速率为亍1 ，则有 砌) = f f t ( 砌) ) = 万1 毛a e tm ) e x p ( - ，等 = 专莓军x te x p c ，：z t ，斋”，e x - c 一，等”m ， = 专车；x te x c ，等n c m m 2 专莓x , n 6 ( k - m ) =x。t=nt 可以视为由个独立 信道构成的多载波调制，基带, o f d m n q a mi f f t 调制可用如 下公式描述： f ) = 五e m ， o t s7 1 17 其中厂。亭，以t = 三n 采样，得到： x(一)=厉盯(以)=n-i五exp(j2万尼v专”)=丢n-i五exp(j等kn)k=0 1 x ( 一) = 厉盯( 以) = 五e2 万尼v 专 ) = 五e x 等 v i ；o y l q 竺一 2 叫黟i n叫如 图2 2 以i f f t 实现多载波调制示意图 子载波的频率南：五；击七= ；t 兰州大学工学硕士学位论文 取其实部通过一个截止频率为专的低通滤波，得到： x ( f ) = ( a , c o s ( 2 x t ；t ) + b , s i n ( 2 ，r f , t ) ) , 0 t 暇 ，= o 在c f d m 系统中，为抵抗信道引起的码阐干扰和予带串扰，将每个符号的最后m 个 数据复制到符号的最前面作为循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) ，然后通过信道。 在接收端采用相干解调： c o s 吐f + 以s i n r o j 融 幽2 ，j 福十胖调不惠幽 去掉c p 前缀后，作f f t 得到： y ( 咖唧砌) ) = 专篓砌) e x p ( _ 等删 = 专莓军五e 冲( ，z 万t v 吾”) e x p ( 一_ ，等，一) = 专车莩以e x p ( _ ，等以( k m ) ) 5 专军以w ( “m ) 2 3o f d m 关键技术 o rem 系统实现的核心，是利用i f f t 和f f t 来分别实现信号的调制和解调。i f f t 和f f t 一般地采用高速数字信号处理技术来实现，技术上比较成熟，并不是整个系统复 杂度的核心。相反，峰值平均功率、同步、信道估计、信道编码和交织、均衡等技术难 题才是实现真正意义上cf d m 系统的关键。 兰州大学工学硕：l 学位论文 2 3 1 峰值平均功率 由于o f d m 信号在时域上表现为n 个独立的正交子载波信号经过调制后的叠加， 当子载波个数多到定程度时，根据中心极限定理它的时域信号近似服从高颠随机允 布，因此，o f d m 信号的幅度服从瑞利分布，是不恒定的，这种不恒定可以用p a p r 来 表示。p a p r ( p e a k t o a v e r a g e p o w e r r a t i o ) 是指o f d m 信号的最大峰值功率与其平均功率 之比。队p r 越大，系统的包络的不恒定性越大。因此，p a p r 较大是o f d m 系统所面 临的一个重要问题。近年来，为了解决这一问题，国内外学者进行了大量的研究，陆续 提出了多种降低o f d m 系统p a p r 的方法。 ( 1 ) 信号预畸变技术 在信号经过放大之前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性预畸变。使其 不会超出放大器的动态变化范围，从而避免较大p a p r 的出现。最常用的信号畸变技术 主要包括限幅滤波、峰值加窗、峰值取消、压缩扩展变换、加权多载波调制等技术。这 些信号畸变技术的好处在于直观、简单，但会带来带内噪声和带外干扰，从而降低系统 的误比特性能和频谱效率。 ( 2 ) 信号扰码技术 通过引入一定的冗余度来降低峰值出现的概率。典型的方法如部分传送序列法( p t s p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n 0 、选择映射法( s m m ，s e l e c t e dm a p p i n gm e t h o d ) 、相量变换法( p t m p h a s o rt r a n s f o r m a t i o nm e t h o d ) 、冲激整形法( p u l s es h a p p i n g ) 、n 法( t o n ei n j e c t i o n ) 和t r 法( t o n er e j e c t i o n ) 。它们的缺点是计算复杂度非常高，编解码都比较麻烦。 ( 3 ) 编码技术 将峰值功率控制和信道编码结合起来，通过适当选取编码和解码方法，既能减小 p a p r ，又能实现f e c ，提高了频谱利用率。其缺陷在于，可供使用的编码图样数量非 常少，特别是当子载波数量n 较大时，编码效率非常低，从而导致矛盾更加突出，因此 只适用于子载波数比较少的情况。 2 3 2 同步 与其它数字通信系统一样，o f d m 系统需要精确可靠的同步技术，包括频率同步( 载 波频率同步、样值频率同步) 和时间同步( 符号同步、帧同步) 两种。当然，这两种同步并 兰州大学工学颐士学位论文 不是独立的，它们之间相互影响、相互制约。比如，增加o f d m 系统总的子载波数， 则子载波间隔变小，相对频偏增大，这会提高对频率同步精度的要求，但o f d m 符号 持续时间变长，符号误差相对变小，又降低了对符号同步精度的要求；反之，减少子载 波数会降低频率同步精度的要求，同时又会提高符号同步精度的要求j 最近几年，已经有大量文献对o f d m 通信系统的各种同步算法进行了探讨。目前， 同步算法主要有两种，即基于导频和基于c p 的同步算法，如图2 | 4 所示。 彤 一1 一l r 匹配滤波器 t ：抽样问隔 g ： 匹配滤波器的系数 ( a ) 基于导频的同步算法 t ：一个0 f d m 符号块的宽度：循环前缀的宽度 基于c p 的同步算法 图2 4o f d m 中的同步算法实现 两种方法各有优缺点，基于导频的同步算法性能较好，但会造成带宽和功率的损失 降低了传输的有效性；基于c p 的同步算法简单易实现，但同步范围较小。 兰州大学工学硕士学位论文 2 3 3 信道编码和交织 为了提高数字通信系统性能，对抗天线衰落信道中的随机错误和突发错误，实际应 用中，通常同时使用信道编码和交织技术。对于信道条件恶劣的环境，可以考虑级联编 码方法，即将多种形式的编码方法级联在一起，在不增加译码复杂度的情况下，可以得 到高的编码增益和与长码相同的纠错能力。通常内部编码若采用卷积编码，外部则采用 分组编码，如r e e d s o l o m o n 码。而且采用卷积编码和时间交织可以使o f d m 系统具有 时间分集作用，采用卷积编码和频率交织使得系统具有频率分集作用。级联编码框图如 2 5 所示。 输入数据 2 3 4 均衡 图2 5 级联码框图 在一般的衰落环境下，o f d m 系统中均衡并不是有效改善系统性能的方法。因为均 衡的实质是补偿时分信道中由于多径信道特性引起的码间干扰，而o f d m 技术本身已 经利用了多径信道的分集特性因此在一般情况下，o f d m 系统就不必再做均衡了。但 是。对于像对流层这类高度散射的信道，加均衡器则是必须的。因为在高度散射的信道 中，信道记忆长度很长，c p 的长度必须很长，这就容易导致能量大量损失，尤其对子 载波个数不是很多的系统。因此，可以考虑加均衡器以使c p 的长度适当减少，即通过 稍微增加系统的复杂性来换取系统的频带利用率的提高。 2 3 5 信道估计 在o f d m 系统中，由于无线信道的时变多径特性，接收端为了能够进行相干检测， 必须对信道特性进行估计。目前常用的几种基于离散导频的信道估计方法有：线性多项 式插值、线性滤波器插值、基于d f t 的插值等。各个算法各有利弊，文献【3 】通过计算 兰州大学工学硕i ：学位论文 机仿真对这三种插值算法的性能进行了对比分析。认为线性多项式插值算法比较简单， 但仅对具有大致斜面特性的函数有效，线性滤波器插值算法随着无线信道中多径效应的 加剧和导频数目的减少，其插值精度逐渐劣化，基于d f t 的插值算法在无噪声条件上 的插值精度公与计算精度有关，在低信噪比条件下，与线性滤波器插值算法的性能相当。 因此，必须根据系统的信号环境决定采用哪种插值算法。 这是本文研究的主要内容，将会在以后的章节中具体进行阐述。 2 4 本章小结 本章首先介绍了o f d m 原理，其次概要介绍了o f d m 系统的一些关键技术。在多 径信道中，对o f d m 接收信号进行了分析和研究，并给出了一种等效的信道模型。 兰州大学_ t 学硕i 学位论文 一第三章无线o f d m 系统信道估计方法介绍 3 i 引言 无线信道是典型的随参信道，有三个特点： 1 信号的衰耗随时间而变化： 一 2 传输的时延随时间而变化： 3 多径传播。 因此，信道具有很强的随机性，这对信号的接收是很大的挑战而信道估计是一种有效 的解决办法。o f d m 系统的信道估计方法粗略地分成两类：利用导频的方法( c h a n n e l e s t i m a t i o n b a s e d p i l o t ) 和盲估计的方法( b l i n d e s t i m a t i o n ) 。利用导频的信道估计方法常见 的有基于导频信道和基于导频符号这两种，i s 一9 5 就采用基于导频信道的方法。但是 o f d m 系统具有时频二维结构，因此采用导频符号的辅助信道估计更为灵活。基于导频 符号的辅助信道估计方法就是借助于一些插入发送数据中导频序列来完成的；而盲估计 的方法就是在对发送数据完全未知的情况下，利用发送数据或接收数据之间的相关性来 完成对信道响应值的估计，盲估计的方法可以大大地提高系统的频谱效率。 3 2o f d m 信道估计问题的描述与简化 为简化问题，突出重点，我们在两个假设下讨论o f d m 的信道估计问题：1 循环前 缀足够长，码间千扰消失；2 在一个o f d m 符号内，认为信道保持时不变。 此时子信道频响可以写成： n m 鬈鸟e x p ( j p , ) e x p ( 一，万2 r x p ( j p , ) x p ( z r 胍) ，m = o ，n _ l ( 3 1 ) 鸟e e 一百) ，m = o ，一l ( 3 1 ) 。o ot 子信道频率响应的相关函数为： 三【也珥】=e篷一exp(粥)exp(-j-等m，)芝舛exp(一ja)exp(j-等i=01 w 0 m 可) 】( 3 2 ) 这里我们令： 兰些查兰三兰堡：! 兰堡篁兰 ： 则可以推出： e = e j 2 毒e x p ( 净 # 。：j e x p ( 二马，o “工c z m r ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 胃m 日：) = j 。晦己( h 互e x p ( 一，2 丌( m n ) f f ) 弦f d f m l2 ；i ；丽l ( 3 ，5 ) 其中r 。表示多径延时的均方根值。 设基带发送的o f d m 符号为【蜀。，一， ，五表示以z 。( o k n 一1 ) 为对角线 元素的方阵。下标j 表示第f 个o f d m 符号，k 表示子载波，系统采样时间为r ，以| v 点 的i f f t 完成调制，则符号长度7 1 = 伍，第i q o f d m 符号在时域上表示为： 。，= 【一舯，一】7 ( 3 6 ) 假设信道在个o f d m 符号内保持不变，时域的冲激响应为h = j 1 0 ，h l 一。】。当所 加循环前缀的长度大于信道冲激响应的长度时，信道冲激响应与符号之间的线性卷积关 系就可转化为n 点的徨卷积，设接收信号为* = 【儿。，儿肛。 ，行= 吩舻，吩- r 为高 斯白噪声，则有： 只，= k 黾( 。渊+ 垮。 ( 3 7 ) 这样输入和输出之间就可以通过n 点d f t 正交变换建立关系。以f 表示作n 点f f t 矩阵，则有：d f t ( y , ) = 乃1 = 。 ( 3 8 ) d f t ( n ) = n 注意到信道的最大延时比o f d m 符号长度小得多，即l 。 脚( 籼嘶h 。 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 兰州大学工学硕士学位论文 以( v ，o 七n 1 ) 表示第七个子载波上的信道增益，可以看成信道频响在子载波 频率处的采样，这是o f d m 并行多载波系统有利于信道估计的特点之，最后有： y = 删x l + ( 3 1 1 ) k 灯剐州 简化后的系统如图3 1 所示： 日0 fi 氓毒一 置j j l ，； 置o 一岳一，； 矾“ “ 图3 ，l0 f d m 系统简化模型 3 3 基于导频辅助结构的信道估计方法介绍 无线o f d m 通信系统中的基于导频符号辅助的信道估计方法就是在发送的信息符 号中插入导频，对于衰落信道，信道估计器必须能够跟踪上时变信道的变化，这就需要 导频符号的以某种连续的方式插入发送序列中。在接收端，所有的信道衰减因子都可以 通过导频估计出来。这种技术可以认为是单载波中导频符号辅助调制( p i l o t - s y m b o l a s s i s t e dm o d u l a t i o n ，p s a l m ) 的推广。如果信道是慢衰落信道，则o f d m 符号的每个子 载波对应的子信道的衰减因子可以认为是恒参的，所以可以采用一帧o f d m 符号作为 导频信号，但这种方法带来了巨大的频谱资源浪费。为了提高频谱利用率，可以在o f d m 兰州人学工学硕】二学位论文 符号中的一些子信道间隔地插入导频，然后通过滤波来估计其余子信道的衰减因子 1 9 】。 更先进的方法就是在频率和时间方向分别间隔地插入导频，并通过滤波器来估计出其余 子信道的衰减因子，这种方法频谱利用率高，并充分利用了信道的相关性 2 0 2 2 。导频 之间的间隔与信道的相干时间和相干带宽有关，并且都要满足n y q u i s t 抽样定律 2 0 ，2 2 ，2 3 1 a 3 3 1 基于块状导频结构的信道估计 在基于块状导频结构的信道估计中，假设信道是慢衰落信道，则o f d m 信道估计 所用的导频是周期的，即通常是用一帧o f d m 符号作为导频，而接下来的一帧或几帧 o f d m 符号则用来传输数据，相邻两个作为导频的o f d m 符号之间的距离为鸠，导频 结构如图3 2 所示。 f 频 塞 方 向 型 o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 0 0 o o o 0 0 0 o o o o o o o o o 0 0 0 o o o 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 o o o o o o 0 0 0 o o o 0 0 0 0 0 0 o o o 时间方向t 导频符号 。数据符号 图3 2 基于块状导频结构 在发送导频信号的o f d m 符号中，导频信号在频域是连续的，因此这种信道探测 方式对信道的多径扩散适应性较好。但是，导频信号在时间轴上是离散的，通过导频信 号只能得到各子信道的信道传输函数离散时间上的抽样值。为了能够通过此抽样值得到 发送数据的o f d m 符号中的信道传输函数，相邻的导频o f d m 符号间的间隔应该小于 信道的相关时间。信道的相关时问与多普勒扩展成反比，所以最小导频块间隔应满 足：f 1 易，岛是多普勒扩展带宽，岛= 2 厶。即最大多普勒频率的2 倍。此种导频分 =：兰些查兰i ! 兰竺；! 兰堡篁兰 布方式适于应用于信道变化相对较慢的系统中。在导频数量相同的情况下其性能由信 道变化速度即相干时间决定。 基于这种导频结构的信道估计所用的方法是l s 和m m s e 算法。l s 估计算法是使 ( y - x f h ) ”【y x f h ) 最小，可表示为： 瓯= x “y ( 3 ，1 3 ) 为进一步去除噪声。提高估计精度，我们使用m m s e 估计算法。即使 | 疗一h 】2 ) 最 小可表示： 疗= f r w r 嚣y ( 3 1 4 ) 其中r 。，表示日和y 的互相关矩阵，r r r 则是y 的自相关矩阵，f 为d f t 旋转因子 矩阵。l s 算法简单，但其性能较差；m m s e 算法复杂，性能较好，因其运算量大，所以 不利于未来无线多媒体通信高速率的要求。为降低m m s e 算法的运算复杂度，文献 2 4 】 提出了一种l m m s e 算法，表示如下： 疗。= r h h ( r h h + d 2 ( x x “) 。) 。轧= r 。( r 。+ 盎，) 。青。( 3 1 5 ) 其中盯2 为a w g n 的方差，系数为一个与信号星座图有关的常数，当采用1 6 q a m 进行调制时，芦= 1 7 9 。通过对r 进行奇异值分解( s i n g u l a i v a l u e d e c o m p o s i t i o n s v d ) 以及低阶近似的方法对算法进行简化，也能得到较好的性能 2 4 】。 但基于块状导频结构的信道估计，因其频谱资源浪费巨大，另外，随着多普勒展宽 的增加，无线信道可能变为快衰落信道，所以基于块状导频结构的信道估计受到了系统 的应用限制。 3 3 2 基于梳状导频结构的信道估计 基于梳状导频结构的信道估计的原理就是在一帧o f d m 符号中，在一定的子载波 上间隔地插入导频符号，然后通过滤波来对其余子信道进行信道估值，导频结构如图3 3 所示。 频 末 方 向 时问方向 图3 3 基于梳状导频结构 导频符号 。数据符号 对导频子信道而言，导频信号在时域是连续的，因此这种信道探测方式对信道的变 化速度适应性较好，可应用于信道变化较快的场合。但是对o f d m 系统而言导频予信 道在频域是离散的，由导频信号只能直接得到导频子信道的传输函数，它是总的信道传 输函数在离散频率点上的抽样值，为了能够通过这些抽样值准确地得到其它一子信道的 传输函数，导频间的间隔应该小于信道的相关带宽。信道的多径时延决定了信道的相关 带宽，设r 坩，是信道冲击响应不能忽略的最大时延，则系统的最小导频间隔应满 足：n i l 。因此，此种导频分布方式适用于信道变化较快而多径时延相对较小的系 统。在导频数量相同的情况下，其对信道估计的性能由信道的多径扩散即相干带宽决定。 在基于梳状导频结构的信道估计中，。个导频通常根据以下等式等间隔地插入发 送的o f d m 符号的子信道中，即。 冰) _ x + f ) = 塞：篙一以，m = o , l , - - , n p - 1 式中，为导频间隔。在接收端，根据导频位置求出相应子信道的频响值，( 女) h p ( k ) = 砾7 p ( m 丽n 面+ i ) m = o , l , - , n p - i ( 3 1 7 ) 其中匕和巧分别为带有导频的予载波的输出与输入。对于其它的子信道，可以采 用插值滤波器估计其衰减因子。插值滤波器可为线性内插滤波器、二阶多项式插值滤波 器、样条插值滤波器以及采用变换域插值滤波器。对于时不变信道或者是慢衰落信道， - 1 8 一 f ，l， o