（通信与信息系统专业论文）ofdm系统的信道估计以及链路性能预测技术研究.pdf

摘要 摘要 随着社会进步和发展，无线宽带数字通信系统引起了广大研究人员的浓厚兴 趣。无线通信系统中，信道时延扩展引起的符号间干扰是限制传输性能和信息速率 的主要因素之一，在消除符号阃干扰和均衡由无线信道时延扩展引起的频率选择性 衰落方面，正交频分复用( o n l l o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术 具有明显优势。因此，将0 f d m 技术应用到无线宽带数字通信系统的研究在最近 几年得到了广泛关注。在无线o f d m 系统中，接收端通过信道估计获得对信道状 态信息的估计，该估计值是接收端均衡由无线信道引起的频率选择性衰落和进行空 时解码的必需条件。 本论文对无线o f d m 系统中信道估计方面技术进行了研究，针对l s 信道估计 算法时域结果的构成特点和无线信道冲激响应在时域为有限冲激响应的特点，分析 研究了种针对l s 信道估计算法的时域结果进行能量检测，实行逆向搜索以获得 信道有效阶数估计值的算法，并给出了判决准则以及判决门限。理论分析和计算机 仿真表明此算法能够得到很好的无线信道有效阶数估计结果。接着，本文介绍了固 定波形时间保护间隔的o f d m 系统，针对系统信号的构成特点，本文基于恢复后 o f d m 信息信号和信道冲激响应之间的循环卷积特性，分析研究了一种信道估计和 跟踪的算法。理论分析和系统仿真表明，在相邻两个o f d m 信息符号的信道变化 特性较小的情况下，本算法能够很好地对信道状态信息进行估计和跟踪。 接下来本文介绍了链路性能预测技术。链路性能预测技术是在给定一个具体确 定的信道条件下，准确预测通信系统仿真在此信道条件下的误帧率和误比特率，从 而为提高系统级性能和为采用自适应调制编码、功率控制、h a r q 等链路自适应算 法提供性能指标。针对l t e 上行传输方案d f t _ s o f d m 系统，本文从系统数据传 输的数学建模入手，逐步推导了有效信干噪比映射( e s m ) 算法，并针对迫零均衡 器和m m s e 均衡器推导出相应的e s m 映射公式，并描述了多接收天线系统的接收 机信干噪比合并公式，最后通过系统仿真，验证了d f t s o f d m 系统e s m 映射算 法的性能。 关键字：o f d m ，信道估计，保护时隙，性能预测，有效信干噪比，有效信噪比映 射 i i i a b s t m e t a b s t r a c t w j t l it h ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fs o c i e t y , r e s e a r c h e r sp a ym u c ha t t e n t i o n si nt h e w i r e l e s sb r o a d b a n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s i nt h i ss y s t e m ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c “i s l ) c a u s e db y t i m ed i s p e r s eo f r a d i oc h a n u e l l so n eo f t h em a i nf a c t o r st h a ti i m i tb a n d w i d t ha n dp e r f o r m a n c eo f t h e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m c o m p a r e d t oo t h e r s 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 n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) s y s t e mc a ne a s i l yc a n c e l i s ia n de q i i a i 胁f r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gb o t h c a u s e db yt i m ed i s p e r s eo f r a d i oc h a n n e l s o ，t h er e s e a r c ht o p i c so f a p p l y i n go f d mt ot h es y s t e mo f w i r e l e s sb r o m b a n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nh a v er e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n si nr e c e n ty e a r s i n ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do no f d m ，t l l er e c e i v e rm u s ta c q u i r ee h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n ( c s i ) t oe q u a l i z ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n ga n dp r o c e s st h ed e c o d i n go f s p a c e - t i m ec o d e ( s t c ) t h ew i r e l e s so f d ms y s t e me s t i m a t i o ni sw i d e l yd i s c u s s e di n t h i sp 印e lc o n s i d e r i n gt h e e h a r a c t e r i s t i c so f t h el sc h a n n e je s t i m a t i o na l g o r i t h ms t r u c t u r ea n dc h a n n e li m p u l s er e s p ( c i r ) b e i n gf i ri nt i m e m o m a i l l i ti sp r o p o s e dt h a td e t e c tt h ee n e r g yo fc i r st a pi nl sa l g o r i t h m 。sr e s u l t s i nt i m e d o m a i na n ds e a r c ht h ee f f e c t i v eo r d e ro fw i r e l e s sc h a u n e lc o n v e r s e l y , t h e ni tc o n c l u d e dt h e d e c i s i o nc r i t e r i aa n dt h r e s h o l d ，b vt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，j ti si n d i c a t e dt h a t t h i sa l g o r i t h ms h o w sg o o dp e r f o r m a n c ei ne s t i m a t i n ge f f e c t i v eo r d e ro fr a d i oc h a n n e l t h e n ，af l e w k i n do f o f d ms y s t e mb a s e do nf i x e dw a v e f o r mt i m eg u a r di n t e r v a l ( t g i ) i si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fs i g n a li nt h i ss y s t e m ，aa l g o r i t h mi s d i s c u s s e da n dr e s e a r c h e dw h i c hi s b a s e do nr e c o v e r i n gt i r e u l a rc o n v o l u t i o nb e t w e e no f d ms y m b o la n dc h a o n e li m p u l s er e s p o n s ei n r e c e i v e r i th a sb e e l ls h o w n ，b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m u p t e rs i m u l a t i o n ，t h a tt h i sa l g o r i t h mi s e r i e c t i v eo ne s t i m a t i n ga n dt r a c k i n gc h a n n e l ，w h e nt h ec h a r a c t e r so fc h a n n e lc h a n g es l o w l yb e t w e e n t w oa d j a c e n to f d m s y m b o l s a n dt h e n t h el i n ke r r o rp r e d i c a t i o ni si n t r o d u c e d ，w h a ti sa l s oc a l l e dl i n kt os y s t e mi - e v e l m a p p i n gt h a ti st h e i n t e r f a c eb e t w e e nl i n ka n ds y s t e ml e v e l f o rt h ei m p l i c a t i o no fl i n ka d a p t i v e t e c h n o l o g i e si n c l u d i n ga d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g , r a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n ts c h e m e s i n c l u d i n gp a c k e ts c h e d u l e ，h a n d o v e ra n dp o w e rc u n l r o l ，a n dh a r qt oi m p r o v et h et h r o u g h p u to f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t 1 1 ef e ro rb e rs h o u l db ep r e d i c a t e de x a c t l ya n dt h e nt r a n s m i t t e dt os 3 ，s t e m i e v e ls i m u l a t o r e x p o n e n t i a le f f e c t i v es i n rm a p p i n g ( e e s m ) f o rd o w n l i n k0 f d m a ，b a s e do nt h e u n i o n - c h e r n o f f b o u n do f e r r o rp r o b a b i l i t i e s ，i sd i s c u s s e di nc h a p t e rt h r e e e f f e c t i v es i n rm a p p i n g ( e s m lf o ru p l i n kd f t - s - o f d m b a s e do nt h ea r i t h m e t i cm o d e lo fd a t at r a n s m i s s i o n ，i sd e r i v e d d e t a i l l yi nc h a p t e rt h r e e 1 1 1 em a p p i n ge x p r e s s i o n sf o rz e r o f o r c e ( z f le q u a l i z e ra n dm i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) e q u a l i z e ra r eg i v e nt h e n ，a n dt h ec o m b i n i n ge x p r e s s i o nw i t hm u l t i p l e r e c e i v e da n t e n n a si sa l s og i v e ni nc h a p t e rt h r e e t h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o n so fe s mf o ru p l i n k d f t - s o f d ma r eg i v e ni nc h a p t e rf i v e k e yw o r d ：o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，t i m eg u a r di n t e r v a l ，e r r o rp r e d i c a t i o n ，e f f e c t i v es i n k d f t - s - 0 f d m ，e s m i v 缩略词 缩略词 3 g p p3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t第三代合作伙伴计划 a c k a c k n o w l e d g e m e n t确认信道 b c hb r o a d c a s tc h a n n e l广播信道 c q i c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r信道质量指示器 d f l ：s o f d md i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m - - s p r e a d -离散傅立叶变化扩展的正 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 n交频分复用系统 m u l t i p l e x i n g d r ud i s t r i b u t e dr e s o l , l r c eu n i t分布式资源单元 e e s m e x p o n e n t i a le f f e c t i v es i n r指数级有效信干噪比映射 m a p p i n g e s m e f f e c t i v es i n rm a p p i n g有效信干噪比映射 h a r qh y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t混合自动重传请求 i f d m ai n t e d e a v e df r e q u e n c yd i v i s i o n交织频分多址 m u l t i p l ea c c e s s l b l o n gb l o c k 长块 l r ul o c a l i z e dr e s o u r c eu n i t集中式资源单元 l sl e a s ts q u a r e 最小二乘 m l o n gt e r me v o l u t i o n长期演进项目 m b m s m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s t多媒体广播多播业务 s e r v i c e m c sm o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e 调制编码方式 m m s em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r最小均方误差 m i m 0 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t多径输入多径输出 r a c hr a n d o ma c c e s sc h a n n e l随机接入信道 s b s h e r tb l o c k短块 s c f d m a s i n g l ec a r r i e r f r e q u e n c yd i v i s i o n单载波频分多址 m u l t i p l ea c c e s s s c h s y n c h r o n i z a t i o nc h a n n e l 同步信道 s i n r s i g n a l t oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s e信干噪比 r a t e s q a m s t a g g e r e dq u a d r a t u r ea m p l i t u d e 交错正交幅度调制 m o d u l a t i o n v 缩略词 t g it i m eg u a r di n t e r v a l 保护间隔 t d s c d m at i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc d m a时分同步c d m a w i f iw i r e l e s sf i d e l i t y 无线保真 z fz e r o f o r e e迫零 v i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：手融日 期：j 驷坦2 u 扛 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：二垂布肾导师签名：! 聋垒 日期 研究生签名：导师签名： ! 一日 期 2 们0 2 ，2 。 第一章引言 第一章引言 现代社会己步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑作用。世界各国都 在致力于现代通信技术的研究与开发，而无线通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。今天， 无线通信已经成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一，而人们对无线通信业务需求的迅速 增加是无线通信技术发展的根本推动力。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功的先进移动电话系统 ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，a m p s ) 实现了基本语音通信：上个世纪8 0 年代中期产生的全球移 动电信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ，o s m ) 和9 0 年代初出现的窄带码分多址 ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 通信系统i s 9 5 是第二代移动通信技术，满足了人们较高质 量的语音业务和低速率的数据业务要求。随着人们对通信业务类型要求的不断扩大，对通信速率要 求的不断提高，已有的第二代移动通信网已经不能满足新的业务需求；为此，本世纪初，人们制定 了以宽带c d m a 技术为核心的第三代移动通信网标准w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。目前， 研究人员把目光投向三代以后( b e y o n d3 g b 3 g ) 和第四代( 4 t h g e n e r a t i o n ，4 0 ) 无线通信系统的技术研 究，研究主要目标是高速i n t e r a c t 无线接入和高质量数字多媒体信息无线传输等方面的应用：而此 类业务的一个共同点是要求高速无线信息传输。正交频分复用( o r t b o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术和正交幅度调制( q 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 ，q a m ) 相结合在高速 无线传输中具有许多优势，b 3 g 和4 g 系统中已将o f d m 技术列为其物理层标准。最近几年，研究 人员针对o f d m 技术在无线通信系统中的应用提出了许多理论和技术基础。 o f d m 技术是一种多载波传输技术，其主要特点是把高速的信息分割到多个正交子载波上并行 低速传送：由于子载波相互交叠和正交，它们可独立并行传送信息符号而不互相干扰同时保持较高 频谱利用率。o f d m 系统一方面提高了对时域脉冲噪声的鲁棒性；另一方面，基于块传输技术的 o f d m 系统在每个o f d m 信息符号之间加上时间保护间隔( t i m ei n t e r v a lg u a r d ，t g i ) ，只要t g i 的 长度大于信道冲激响应( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，c i r ) 的最大时延扩展，系统的所有子载波之间的 正交性在通过信道后就能够得到保持。o f d m 这种基于块传输的正交多载波传送方式使它具有抗符 号间串扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s l ) 能力，同时也可以将信道均衡从复杂的时域处理转化到简单 易行的频域处理。在o f d m 系统中，系统可以根据子载波的工作环境在子载波闻灵活应用自适应调 制技术、自适应功率分配技术等来进一步提高系统的传输效率和传输。 东南大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 由于o f d m 调制解调技术具有许多在无线宽带数字通信中所期望的良好特性。该技术已经广泛 应用到高质量的多媒体无线传输系统中。例如：欧洲的数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 系 统，欧洲的数字广播系统( t e r r e s t r i a ld i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) ，日本的移动多媒体接入通信 ( m u l t i m e d i am o b i la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ) 系统。o f d m 技术还被宽带无线局域l 网( w h e l e s sl o e a l a r e a n e t w o r k w l a n ) 采用作为物理层的标准技术，例如，符合欧洲e t s i 标准的h 1 p e r l a n 2 ，符合 北美i e e e 的8 0 2 1 l a 标准。 1 1 1 无线宽带数字通信信道特征概述 与其他通信信道相比，无线通信信道是最复杂的一种，来自信源的信息通过被调制的电磁波在 空间传播到达信宿。电磁波在自由空间传播的主要方式包括直射波、折射波、散射波以及它们的合 成波；再加之移动台的运动使得移动台与基站之间的无线信道具有时变特性；所以，无线信道随着 移动台的空间位置变化和时间变化显得难以控制和预测。下面将对无线宽带数字通信系统中的信道 特性作一个简单的概述【3 1 。 无线电磁波通过空间传输时会遭到各种衰落的影响，接收信号的瞬时功率可以表达为： p ( d ) = idi os ( d ) r ( d ) 其中d 表示移动台与基站之间的距离向量，i d i 表示移动台与基站的直线距离。根据上式，无线 信道对信号的衰落可以分为三类： ( 1 ) 路径损耗：当发射机和接收机之间的距离在较大尺度上( 数百米和数千米) 变化时，接收信 号的平均功率和信号传播距离d 的i v 次方成反比即是式中的l d r ，其中1 1 为路径损耗指数跟具体的 传输环境有关； ( 2 ) 阴影衰- 落s ( d ) 表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其他障碍物对无线电波的阻挡或遮蔽 而引发的衰落。阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量，其统计特性服从对数正态分布； ( 3 ) 多径衰落r ( d ) 表示由于无线电波存在反射、绕射和衍射等自由空间传播方式，发射信号可 以经过多条路径到达接收端形成多个信号分量；因此，接收信号为多个发射信号分量的叠加，而每 个信号分量的时延、幅度和相位均互不相同，从而信号的幅度和相位会快速变化，称为小尺度衰落； 2 第一帝引言 此外，由于移动台的运动还会使得无线信道呈现出时变特性，其中一种具体表现就是接收信号 会出现一定程度的多普勒频移。 无线电波自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线通信系统的区域覆盖，通过合理的基 站布置和设计就可消除这些不利影响，本论文主要针对消除由于无线信道的多径时延扩展和衰落带 来的不利影响展开讨论，没有对无线信道传播损耗、阴影衰落和时变衰落的消除进行研究。 在无线宽带数字通信中，无线信道的时延扩展是限制系统传输速率的主要因素之一，要消除该 因素对系统性能的影响，必须理解无线信道的多径时延扩展特性，下面简要的从时域和频域概述无 线信道的该特性，在第二章中将给出统计意义上的数学描述。 从时域来看，无线宽带数字通信中，发射端和接收端之间存在多条无线电波传播路径，这种现 象被称为多径效应，呈现多径效应的信道具有时延扩展特性。传输过程中，如果由于信道的时延扩 展，接收信号中的一个符号的波形就会扩展到其他符号的波形中，造成i s i 。为了避免产生i s i ，要 求通信系统的符号宽度要远远的大于信道最大时延扩展。，或者符号的速率要小于信道最大时延 扩展的倒数。但是在无线宽带数字通信系统中，单个信息符号的宽度远小于f m 。，因此，接收信号 中的i s l 现象非常严重。如果不采用相应的措施消除i s i ，系统接收端的符号检测将存在较高的错误 率，无法实现信息的准确传输。 从频域内来看，多径信道的时延扩展将导致信道对发射信号产生频率选择性衰落，即无线信道 针对发射信号中不同的频率成分呈现出不同的随机衰落；由于接收信号中不同的频率分量的衰落不 一致，所以，发射信号经过信道衰落后，信号频域波形将发生畸变。 与信道时延扩展密切相关的另一个重要概念是信道的相关带宽( b ) 。信道的相关带宽描述了 信道中以一定程度上近似相同方式产生衰落的两个正弦波之间的最大频率间隔。如果无线通信系统 中信息速率较高，承载信息的发射信号的带宽将超过无线信道的相关带宽，发射信道通过无线信道 后各个频率分量的变化将不相同，引起发射信号波形畸变，信道对发射信号的这种衰落方式被称为 频率选择性衰落；反之，当通信系统中信息速率较低，承载信息的发射信号的带宽小于无线信道的 相关带宽，发射信道通过无线信道后各个频率分量经历相同的衰落，发射信号波形不会产生失真， 则认为发射信号只是经历了平坦衰落，信道对发射信号的这种衰落方式被称为非频率选择性衰落。 1 1 20 f d m 技术的主要优缺点 最近几年，o f d m 技术引起了人们的广泛关注，其原因是o f d m 除了能够有效抑制和消除由 3 东南大学硕士学位论文 于信道的时延扩展引起的频率选择性衰落、具有较高的频谱利用率和容易实现调制解调外，还存在 以下主要优点： ( 1 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路传输的数据量要远远大于上行链路的数据 传输量。无论从用户数据业务要求，还是从无线通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对 称高速数据传输，而o f d m 系统可以很容易地通过设置不同的子载波数目分别用于上行和下行链路 中实现不同的传输速率。 ( 2 ) 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有工作的子载波都同时处于较深的衰落情况中； 所以，一方面可通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从 而提高系统的性能；另一方面可以通过信道编码的方式，利用宽带信道的频率分集，用信噪比较高 子信道传输的数据恢复低信噪比子信道传输的数据。 ( 3 ) o f d m 系统可以方便地与其他多址接入方法相结合使用，构成o f d m a 系统，使得多个用 户可以同时利用o f d m 技术进行信息传输。 但是，o f d m 系统中时域信号是多个子信道信号的叠加；o f d m 系统与单载波系统相比，存在 如下需要研究和解决的问题： ( 1 ) 高精度的c s i 估计问题； 要进行高速率的数据传输，同时要保持较高的频谱利用率；o f d m 系统需要使用密度更高的星 座点进行符号映射；接收端采用相干检测技术，接收端在解调时需要知道c s i 。在无线通信中，由 于移动台的运动和接收端所处的环境不可预知，c s i 是未知的并随时间变化，接收端需要通过信道 估计获得对传输信道高精度的c s i 估计。在使用高密度星座点的o f d m 系统中，c s i 的估计精度对 系统的性能有较大地影响，在尽量保持信道估计算法复杂度的前提下，如何减小c s i 估计的均方误 差( m e a ns q u a r ee r r o r ，m s e ) 是一个值得研究的问题。另一方面，为了接收端能够进行信道估计，经 典无线o f d m 系统均使用在频域插入导频的方式，但导频需要o f d m 系统工作子载波的一部分进 行传输，因此要消耗一定频谱资源：如何减少或消除频域的导频以进一步提高o f d m 系统频谱利用 率并要保证接收端能够获得c s i 的高精度估计值也是一个值得研究的问题。 ( 2 ) 易受频率偏差的影响； 由于o f d m 系统工作子载波的频谱相互交叠，这就对子载波之间的正交性提出了严格的要求。 然而由于无线信道存在时变性，传输过程中会出现信号频率的偏移口，例如多普勒频移：或者由于 发射端振荡器与接收端振荡器之间存在频率偏差，都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破 坏，从而导致子信道间的相互干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c l ) ，使系统性能恶化。 ( 3 ) 存在较高的峰值平均功率比； 4 第一章引言 与单载波系统相比，o f d m 系统的输出容易导致出现较大的峰值平均功率比( p e a kt oa v e r a g e p o w e rr a t i o ，p a p r ) 。高队p r 对发射机功率放大器的线性度提出了很高的要求。如果功率放大器 的动态范围不能够满足信号的变化，则信号通过放大器后波形会发生畸变，使叠加的信号频谱发生 变化，从而导致各个子载波之间的正交性遭到破坏，产生i c i 和带外辐射。正是由于o f d m 系统在 应用到无线宽带通信中时既存在突出的优点。又存在上述需要进一步研究和解决的问题，这正是本 论文研究无线o f d m 系统信道估计的原因所在。本论文没有对上述三方面的问题同时进行研究，而 是假设第二个方面和第三个方面的问题得到了较好的解决的前提下，针对第一个方面的问题展开研 究工作。 1 2 无线o f d m 系统中信道估计研究的现状 在实际应用中，通常有相干o f d m 系统和非相干o f d m 系统之分。如果发射端使用差分编码， 接收端可以使用不需要c s i 便能够完成解调的非相干差分解调技术，系统接收端可以得到一定的简 化，这种方法的最大优点是接收端不需要知道c s i ，因此接收机比较简单。其缺点是与相干0 f d m 系统相比，系统的传输性能要降低3 4 d b 。为了弥补这一损失，系统采用相干o f d m 系统，相干 o f d m 系统发射端可以使用频谱效率更高的q a m 技术。相干o f d m 系统的接收端使用相干检测技 术，系统需要知道c s l 以对接收信号进行信道均衡，从而信道估计成为系统接收端一个重要的环节。 虽然相干o f d m 系统需要知道c s i 才能解调而使接收机变得复杂，但获得了更好的系统传输效率和 性能，所以，在无线通信应用中，通信系统还是使用相干o f d m 系统。 在具有多个发射天线的系统中，如果系统发射端使用了空时编码，接收端进行空时译码时，需 要知道每一对发射天线与接收天线之间的c s i , 而c s i 可以通过信道估计获得。信道估计结果还可 以用到接收分集的合并算法中，提高信号合并的质量，获得更多的分集增益。如果存在共道干扰， 接收最小均方误差分集合并( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o rd i v e r s i t yc o m b i n i n g ，m m s e d c ) 系数必 须根据信道参数估计值和各个接收天线信号之间的瞬时相关特性进行计算。 信道估计的方法通常可分为三类：第一类是基于导频( p i l o t ) 符号和插值技术信道估计；根据插 入的导频符号在f f t 之前还是之后，分为时域导频符号插入法和频域导频符号插入法：第二类是基 于判决反馈信道估计；第三类是基于被传输信息符号的有限字符特性和其统计特性的盲信道估计。 下面分别介绍这三种方法目前的研究现状，重点介绍无线通信系统中常用的基于训练序列的信道估 计算法，简单介绍基于判决反馈的信道估计方法和盲信道估计算法。 东南大学硕士学位论文 1 2 1 基于训练序列的信道估计 接收端利用插入的p i l o t 进行信道估计是无线o f d m 系统中常用的方法，常见的基于训练序列 信道估计方法有时域训练序列和频域p i l o t 两种。本论文针对在频域和时域插k 1 1 练序列的无线 o f d m 系统展开信道估计研究工作。 基于时域训练序列插入方式的信道估计 假设系统的同步性能良好，我们从等效的离散时间o f d m 系统模型展开讨论。在时域，用b p s k 调制方式将一固定的伪随机( p s e u d o - n o i s e ，p n ) 序列映射为一段固定的离散时域序列形成向量n ，将 向量附到每一个时域o f d m 信息符号块s n 】的前面；同时该段时域波形还充当了时间保护间隔消 除接收信号中的i b l 分量。向量被插入到s n 】的前面，就形成被发送的一个完整的o f d m 信息符 号 a ，s ( 万) 。在接收端，对应于第 个完整的o f d m 信息符号，系统信道估计通过对接收信号中 对应于向量口的离散信号段烈功进行恢复循环卷积处理得到信号段p i n 】，研胛】在时域表示为 p 陋 _ n o h n 】，其中固表示循环卷积运算；然后通过f f t 将研”】转换到频域，p 玎】s 万】在频域 内可表示为p k 】= a k h k 】； 因此，信道的频率响应可表示为 日【纠= 户 h 4 明= 研七m + 明阻 七扩。由于向量是由p n 序列通过b p s k 调制方式映射得到 的一段固定离散时间序列向量，向量a 是通过f f t 处理得到的频域向量a 的模1 4 i ，除第一个值外 其余的值均为一个常数k ，其取值与p n 序列长度有关，u h i a k i = k d j h k = t k l a k k 2 。 另外，系统还可以利用p n 序列良好的自相关特性，用接收的离散信号和向量伍进行相关来获得c s i 的估计值。 基于插入时域训练序列方式的信道估计还可以利用无线信道短时间内的相关性来提高对c s i 的 估计结果的精度。系统连续存储含有训练序列的m 个o f d m 信息符号，并将m 个符号内的c s i 估 计值作滑动平均处理，这种降低c s i 估计值噪声功率的方法称为时域p i l o t 时域平均( t i m ep i l o tt i m e a v e r a g e ，t p t a ) 基于单一频域训练序列插入方式的信道估计 在系统发射端，复用器将数据符号和p i l o t 符号复用成频域内的数据流，分插到每个o f d m 信 息符号的p i l o t 符号为p n 序列，其导频比p r 定义为系统插入的p i l o t 数与系统进行快速傅里叶变换 点数的比值，即p r = p = 1 r ，表示系统插入的p i l o t 数，n 表示快速傅里叶变换点数。 6 第一章引宵 p i l o t 子载波处的信道频域响应通过接收数据和本地存储的参考p i l o t 符号共同获得，而o f d m 信息 符号内其它数据子载波处的频域响应可以通过对p i l o t 子载波处的频域响应插值来获得，具体的插值 方式有：分段线性内插，分段多项式拟合内插，基于d f t 的内插，基于三阶样条函数的内插等。这 种方法叫频域p i l o t 频域插值( f r e q u e n c y p i l o tf r e q u e n c yi n t e r p o l a t i o n ，f p f n 。 系统还可以利用无线信道短时间内具有较高的相关性来提高对c s i 的估计结果的精度，该方法 叫频域p i l o t 频域平均( f r e q u e n c yp i l o tf r e q u e n c ya v e r a g ef p f a ) 。 上面讨论的f p f l 和f p f a 两种方法属于非参数估计法，下面讨论o f d m 系统插入频域p i l o t 时 的参数估计。参数估计法将时延扩展信道建模为一个有限冲激响应滤波器，通过p i l o t 符号对信道的 冲激响应或频率响应进行估计。b a o g u oy a n g 等人提出了基于参数信道模型的估计算法，利用最小 描述长度( m i n i m u md e s c r i p t i o nl e n g t h ，m d l ) 准则检测信道的路径数；利用旋转不变信号参数估计 技术( e s t i m a t i o no f s i g n a lp a r a m e t e r sb yr o t a t i o n a li n v a r i a n e et e c h n i q u e s ，e s p r i n 对信道多径时延进 行初始估计，然后用延时锁相环跟踪信道多径时延；并根据估计的信道多径时延信息，利用最小均 方差( m i n i m u n m e a n s q u a r e e r r o r ，m m s e ) 准则估计信道的频率响应。 基于时一频二维频域训练序列插入方式的信道估计 o f d m 系统与单载波通信系统相比，单载波系统只能在时间轴方向插入时域训练序列，接收端 在时域提取训练序列估计时变c i r 。o f d m 是多载波传输技术，系统中的子载波具有时- 频二维结构， 系统可以在时间轴和频率轴两个方向插入p i l o t ，这里的时问轴是在同一子载波上观察的时间轴，频 域接收信号是p i l o t 和信道频率特性相乘的时变信号：而单载波系统的时间轴是在时域内观察的，其 接收信号是训练序列与c i r 时域相卷积的时变信号。 为了很好地跟踪信道变化，o f d m 系统最好在每一个o f d m 数据符号中插入p i l o t ，但由于过 多地使用p i l o t ，系统的频谱利用率会降低。如果系统遵循二维n i q u i s t 采样定理，根据信道时一频二 维相关函数决定插入p i l o t 的导频比p r 以及o f d m 信息符号的最小间隔数，可以减小p i l o t 带来的 频谱资源开销。通常无线信道特性满足广义平稳非相关散射( w i d es e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e d s c a t t e r e d ，w s s u s ) 的假设，信道时一频二维相关函数可分解为时域相关函数和频域相关函数相乘。 根据无线信道该特性，提出了时一频后验概率( ap o s t e r i o rp r o b a b i l i t y , a p p ) 一- - 维信道估计算法，先沿时 间轴方向，后沿频率轴方向级连应用a p p 准则，同时与纠错译码的软判决输出相结合，迭代进行信 道估计和信道译码，提高系统的误比特性能，这是基于时频二维频域p i l o t 插入方式信道估计方法 的典型代表。 多载波系统插入的p i l o t 如果满足时频二维n i q u e s t 抽样定理的条件，系统可以利用p i l o t 子载 波处信道频率特性估计值，运用二维w i n n e r 滤波器内插的方法估算数据子载波处的信道频率特性 7 东南大学硕士学位论文 值，从而获得均方意义下信道的最优估计。采用二维w i n n e r 滤波器自适应跟踪时变信道的算法由 h e n r i ks c h o b e r 等人提出，该算法要作二维处理，算法复