（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中信道估计技术的研究.pdf

摘要 摘要 本文主要研究o f d m 系统中信道估计算法，并利用计算机进行仿真分析。 首先，简要介绍了o f d m 系统的基本原理、无线衰落信道的基本特征、传统 意义上的基于导频辅助信道估计和盲信道估计算法。然后，考虑到传统的基于导 频信道估计算法性能和复杂度的矛盾，提出了一种维纳滤波与插值滤波相结合的 信道估计算法，并通过奇异值分解的方法迸一步降低了算法的复杂度。针对传统 的盲信道估计算法估计精确度低、算法复杂度高、收敛速度慢的缺点，提出了一 种基于e m 的半盲信道估计算法。 最后，结合计算机仿真，对这些改进算法的性能进行了全面的分析和比较。 关键词：正交频分复用信道估计维纳滤波与插值滤波相结合e m 算法 2 o f d m 系统中信道估计技术研究 a b s t r a c t t l l i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ea l g o r i t h m sf o rc h a n n e le s t i m a t i o ni n0 f d m s y s t e m i ta l s os i m u l a t e sa n da n a l y z e sb yc o m p u t e r a tf i r s t , t h ep r o p e r t i e so f t h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n d 。t h ep r i n c i p l e so f t h eo f d m s y s t e m s ，t h et r a d i t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sb a s e d0 1 1p i l o ta s s i s t e da n db l i n d c h a n n e le s t i m a t i o na r ci n t r o d u c e db r i e f l y s e c o n d l y , f o rt h et r a d e o f fb c t w e e l l p e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y , t h ea l g o r i t h mb yu s i n gw i e n e rf i l t e r i n gc o m b i n e dw i m i n t e r p o l a t i 0 1 1m t m n g a r cp r o p o s e d r n l es i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o nm e t h o di su s e d t or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h i sn o v e la l g o r i t h m a i m i n ga tt h ed e f i c i e n c i e so fl o w e s t i m a t i o np r e c i s i o n , h i 曲c o m p l e x i t ya n ds l o wc o n v e r g e n c es p e e de t c i nt h e t r a d i t i o n a lb l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d a ne x p e c t a t i o n m a x i m i z a t i o n 饵m 1 b a s e ds e m i - h i i n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s ea l g o r i t h m si sa n a l y z e da n dc o m p 盯e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n k e y w o r d s ：o r t h 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 ) ：c h a n n e l e s t i m a t i o n ；w i e n e rf i l t e r i n gc o m b i n e dw i t hi n t e r p o l a t i o nf i l t e r i n g ；e x p e c t a t i o n m a x i m i z a t i o na l g o r i t h m 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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中所罗列的内容外，论文不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其 他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出 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 ， 本人签名透圣垒主日期驾：兰：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论又 在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 、习缸独 碰垡盐竺堑! 王 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信的发展与前景 现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最 新技术成就，而且集中了网络和计算机技术的许多成果。目前。移动通信已从模 拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。 现代移动通信技术已经历了三个主要发展阶段。每一代的发展都是技术的突 破和观念的创新【1 】闭。 第一代移动通信系统( 1 g ) 是2 0 世纪8 0 年代发展起来的双工频分多址( f d m a ) 模拟蜂窝移动通信系统。主要采用模拟调频、频分多址技术。主要业务是语音通 信。实际数据速率为2 4 k b i t s 。主要缺点是：频谱利用率太低，有限的频率资源 和用户容量之闻的矛盾日益突出；业务种类单一( 主要业务是语音通信) ：保密性 差：无法与固定网向数字化推进相适应；不能漫游：移动终端要进一步实现小型 化、低功耗、低价格难度较大。 第二代移动通信系统( 2 g ) 是9 0 年代初期发展起来的数字蜂窝移动通信系统。 主要采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术主要业务是：语音通信和低 速数据业务。数据速率为1 4 4 k b i t s ( 实际仅达到9 6 k b i t s ) 。相对于l g 而言，其 频谱利用率高、系统容量大、通话质量高、保密性能好。但第二代移动通信系统 一般为区域性或国家标准，没有全球范围内的统一标准，因面没有实现全球无缝 漫游：也不能满足移动通信容量的巨大要求；不能经济地提供高速数据和多媒体 业务；不能有效的支持i n t e r n e t 业务等。 第三代移动通信系统( 3 g ) 的研究从9 0 年代后期进入实质性阶段。主要采用码 分多址( c d m a ) 和分组交换技术。它可以提供更宽的频带，不仅传输话音，还能 传输高速数据，支持多媒体业务，从而提供快捷方便的无线应用。3 g 向个人通信 迈出了一大步，但还不能算是完全的个人通信 3 g 移动通信系统相对予2 g 有很大的改进，但仍不能满足用户的要求。主要 问题在于： 、没有全球统一的标准，难以实现全球无缝漫游。 、主流的3 g 标准均采用c d m a 技术，由于c d m a 的干扰、功率和频谱扩 展限制，很难达到预期的频谱效率。 、3 ( 3 所采用的语音架构仍承袭了2 g 的电路交换，而不是纯i p 方式，传输 效果不理想。 2o f d m 系统中信道估计技术研究 、数据速率虽然有所提高。可难以达到快速传输大文本和大的e m a i l 附件。 、视频传输达不到高清晰度的要求 此外，手机问题、与原有网络的兼容问题等等，所有这些都增加了人们对3 g 的不满，和对4 g ( b 3 g ) 的期待。 为了实现真正意义上的宽帮无线系统，国际电信联盟己开始着手制定下一代移 动通信系统，即第四代移动通信系统( 4 g ) 。4 g 的定义到目前为止依然有待明确， 它的技术参数、国际标准、网络结构、乃至业务内容均未有明确说法。 i t u - r 的w p g f - i - 作组提出的z i g ( 超3 g ) 系统的要求主要包括 2 1 ： 、高速数据传输，根据移动速度支持各种传输速度( 3 公里小时一 1 0 0 m b p s ，6 0 公里小时- - 2 0 m b p s ，2 5 0 公里小时- - 2 m b p s ，5 0 0 公里小时 t m b p s ) , 、以i p 为基础的无线接续，支持q o s ； 、各系统( i m t - 2 0 0 0 、w l a n 、b w a 、卫星、广播) 之间无缝的业务支持， 并支持全球漫游。 、支持多重模式、支持对称非对称业务。 为了达到上述要求，必须采用新的技术，尤其是要研究在移动环境和有限频谱 资源条件下，如何稳定、可靠、高效地支持高数据速率的数据传输。为此，正交 频分复用技术( o r t h 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 ) 以其可以在有 效提高传输速率的同时，避免高速引起的各种干扰，并具有良好的抗噪声性能、 抗多径信道干扰和频谱利用率高等优点而被认为是第四代移动通信的核心技术。 1 2o f d m 技术的发展与应用 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作 是一种调制技术。也可以看作是一种复用技术。在2 0 世纪5 0 年代中期，逐渐有 入提出了多载波传输技术，邸：将整个信号频段被划分成n 个互不重叠的频率子 信道，把一个高速的数据流分解成n 个低速率的子数据流，以并行的方式在这n 个子信道上传输，然后将n 个子信道进行频分复用。在每个子信道上，符号周期 将大于原始的符号周期，从丽消除或部分消除符号闻干扰( i s i ) 。同时。信道频 谱的不重叠有利于消除信道间干扰( i c i ) 。但却不能有效利用宝贵的频率资源。 1 2 1o f d m 技术的发展 2 1 1 3 1 为了解决有效利用频谱资源的问题，在2 0 世纪6 0 年代中期，r w c h a n g 发 表了一篇论文，首次阐明了现在称之为o f d m 的技术。它与其他多载波传输技术 第一章绪论 的不同在于各子信道之间在时域上相互正交，在频域相互重叠，从而有效地利用 了频率资源。而对于正交信号，在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子 信道之间的相互干扰( i c i ) 。 由于技术条件的限制，o f d m 最早只被用于军方高频无线通信中，其中包括 k i n ：f l e x 、黼f t 以及k n 唧t y n 等1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 等人提出 了将离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f r ) 离散傅立叶反变换 ( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 引入并行数据传输系统作为调制解调 过程的一部分，并提出了完整的正交频分复用( 0 f d m ) 系统方案，包括快速傅 立叶变换( f f t ) 产生o f d m 信号、在多径环境下加入循环前缀( 保护间隔) 等。 从而使得采用f f t 的专用硬件设备就可以实现全数字式的o f d m 系统系统。 2 0 世纪8 0 年代，o f d m 被研究用于高速调制解调器、数字移动通信和高密 度记录等领域。h i r o s a k i 探索了基于d f t 、多路q a m 复用的o f d m 技术，并设 计了一个使用多路q a m 复用的音频数据调制解调器。该系统采用了插入导频的 方式来稳定载波频率和时钟频率，并采用网格编码来减少所需的载波噪声比 ( c n r ) 。1 9 8 5 年，l l c i m i n i 分析和模拟了o f d m 在数字移动信道中的性能， 显示出在突发性瑞利衰落环境下o f d m 系统比单载波系统具有更好的性能。1 9 8 8 年d d e c h e r 将网格编码引入o f d m 系统，并取得美国专利。 从2 0 世纪9 0 年代初开始，随着对o f d m 及其相关技术的深入，随着d s p 和v l s i 技术的成熟，高速多阶q a m 调制技术、网格编码技术、信道白适应技 术、插入保护间隔、减少均衡计算量等成熟的技术逐步引入到无线通信领域中来， 妨碍o f d m 实现的瓶颈技术( 包括复杂计算、高速缓存器等) 不复存在。 1 2 2o f d m 的优缺点1 2 1 1 4 1 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 系统具有如 下主要优点： 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。把高速率数据流通过串并转换，转 换成并行的低速子数据流，使得在每个子信道上，符号周期将大于原始的符号周 期，从而消除或部分消除符号间干扰( 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，而仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除符号 间干扰( i s i ) 的不利影响。 频谱利用率很高。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。因而与传统的单载波传输技术相比较，o f d m 有较高的频谱 利用率，其频谱利用率随子信道数目的增加而接近两倍于单载波系统，趋近奈奎 斯特( n y q u i s t ) 极限。 4 o f d m 系统中信道估计技术研究 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 有快速算法各个子信道中的正交调 制和解调可以通过采用i d f t 和d f t 的方法来实现。基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 有快速算法( i f f t 和f f t ) ，而随着大规模集成电路技术与d s p 技术的 发展，i f f t 与f f t 都是非常容易实现的。 无线数据业务一般存在菲对称性，郎下行链路串传输的数据量要大于上行 链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，o f d m 系统 可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不周的传输速率。 ( 墨) o f d m 可以容易的与其他多种接入方法结合使用，构成o f d m 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。 但是o f d m 系统内由于存在有多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子 信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点： 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正 交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号的 频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之问存在的频率偏差，都会使o f d m 系 统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰( i c i ) ，这种对频 率偏差的敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加， 因茈如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信 号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比( p a p r ：p e a k - t o - a v e r a g ep o w e r r a t i o ) 。这就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，可能带来信号畸变， 使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰， 使系统的性能恶化。 1 2 3o f d m 技术的应用【2 】【3 】 由于o f d m 有众多的优点，故而在许多领域得到了广泛的应用； l 、数字音频( d i g i t a l a u d i o b r o a d c a s t i n g ，d a b ) 广播和数字视频广播( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g ，d v l 3 ) d a b e u r e k a l 4 7 计划已经成功地使用了o f d m 技术。该系统克服了多径效应、阴影效应、多普勒频移造成的频率选择性衰落和 时问选择性衰落，在移动条件下仍然能听到c d 品质的音乐。 2 、高清晰度电视( h d t v )欧洲于1 9 9 2 年推出的数字h d t v 系统 h d - d i v i n e ，把o f d m 作为发展地面数字电视的基础；日本也将o f d m 用于发 展便携电视和安装在旅游车、出租车上的车载电视。 3 、卫星通信v s a t 的卫星通信网使用了o f d m 技术，由于通信卫星是出 第一章绪论 于赤道上空的静止卫星，因此o f d m 无需设置保护间隔，利用d f t 技术实现 o f d m 将极大地简化主站设备的复杂性，尤其适用于向小站发送不同的信息。 4 、h f c 网h f c ( h y b r i df i b e rc a b l e ) 是一种光纤同轴混合网。o f d m 被应用到有线电视网，采用光电混合传输方式，提高图像质量，扩大有线电视的 使用范围。 5 、移动通信第四代移动通信系统( 4 g ) 计划以o f d m 为核心技术。较 之第三代移动通信系统( 3 g ) ，采用多种新技术的o f d m 不仅具有更高的频谱利 用率和良好的抗多径于扰能力，更重要的是它可以更好的满足多媒体通信的要求， 将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质的传送出 去 1 3 课题的主要任务和意义 o f d m 技术作为第四代移动通信的关键技术是本课题研究的主题。 o f d m 技术以其可以在有效提高传输速率的同时，避免各种于扰，并有良好 的抗噪声性能、抗多径信道干扰和频谱利用率高而备受关注。在实际应用中，为 了进一步提高系统的频谱利用率，需要采用幅度非恒定的调制技术，如m 元正交 幅度调制( m - a r yq u a d r a t ma 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 ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 才能进行相干解调即使对于 d p s k 这样的幅度恒定的差分调制方式，虽然可以采用差分解调的方式( 无需信 道信息) ，但利用信道信息进行相干解调要比差分解调性能高3 4 d b 。因此，信 道估计是o f d m 接收机设计的一个主要任务。 有关o f d m 系统中信道估计的研究很多，通常可分为基于判决的信道估计、 基于导频辅助的信道估计、盲或半盲信道估计。研究表明，上述方法在o f d m 系 统中均能取得较好的性能。但在实际应用中又必须考虑算法性能和复杂度的折衷、 频谱利用率的提高，寻求一种性能较好、频谱利用率较高而复杂度较低的信道估 计算法。因此，o f d m 系统中的信道估计是极具意义的研究领域。本文将针对 o f d m 系统中信道估计问题进行研究。 1 4 本文的主要工作 本文以o f d m 系统中信道估计技术为侧重点进行研究。在研究过程中采用了 理论分析和计算机仿真相结合的手段，在理论和实践两方面验证了研究的正确性 和可行性。 本文共分五章，各章内容如下： 6o f d m 系统中信道估计技术研究 第一章：介绍了移动通信系统的发展和前景，描述了o f d m 技术的优缺点及 其应用，并简要介绍了课题的研究意义及主要工作。 第二章；简要介绍了o f d m 系统的基本原理、移动信道的基本特性和传统的 信道估计算法。 第三章；首先考虑裂传统的基于导频鲍信道估计算法性能与复杂度的折衷， 提出了一种维纳滤波与插值滤波相结合的新算法，并且利用信道的相关性以及奇 异值分解技术进一步降低了新算法的运算量。然后，为了获得较高的频谱利用率， 并考虑到传统的盲信道估计算法性能较差、复杂度较高、收敛速度较慢，进而提 出了一种基于e m 的半盲信道估计算法。 第四章：首先，建立o f d m 系统的传输模型和无线移动信道模型。然后，通 过计算机仿真，对维纳滤波与插值滤波相结合的算法和基于e m 的半盲信道估计 算法进行了详细分析。 第五章：总结全文内容，提出本课题有待进步研究的问题。 第二章综述 7 第二章综述 2 1 无线移动信道特征 在无线通信系统中，无线信道的特性对整个通信系统的性能有着重大影响。 电磁波作为传播媒质，其传播的主要方式是直射、折射、散射等。再加上移动台 本身的运动，使得整个无线信道衰落明显，时变剧烈。当信号通过无线信道传播 时，会遭受到各种衰落的影响。一般情况下，接收信号的功率可以表示为【l 】 p ( 回= l d i - ”s ( 力足( 回 ( 2 - 1 ) 式中，d 表示移动台与基站的距离向量，矧d 表示移动台与基站间的距离。 根据式( 2 1 ) ，无线信道对信号的影响可分为三种。 、自由空间传播损耗与弥散例一； 、阴影衰落双d ) ； 、多径衰落r ( d ) ( 也被称作小尺度衰落) 。 另外，由于移动台的运动，还会使无线信道呈现出时变性，其具体的表现之 一就是会出现多普勒频移。 从无线系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖。 通过合理的设计总可以消除这些不利的影响。而多径衰落严重影响信号的传输质 量，且不可避免。因此，一般在研究宽带无线通信系统时，主要针对小尺度衰落， 考虑多径时延引起的时间扩展和多普勒频移。 2 1 1 时延扩展 从时域角度看，在无线环境下，由于各个路径的长度不同，因而信号到达的 时间就不同。这样，发射端发送一个窄脉冲信号，在接收端收到多个窄脉冲( 不 但包括该脉冲，而且包括它的各个时延信号) ，如图2 1 所示，这种由于多径效应 引起的接收信号中脉冲宽度宽展现象称作时延扩膨1 1 ( t m l ed e l a ys p r e a d ) 。 口山 t = r + f lt = t + t 3 t = t + t z 图2 1 多径时延示意图 8o f d m 系统中信道估计技术研究 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他 符号中，造成符号间干扰( i s i ) 。为了避免符号间干扰( i s i ) ，应该使得符号宽度 远远大于最大时延扩展。 在频率域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相关带宽，通常用最大时 延扩展的倒数定义信道的楣关带宽，即 e * 1 乙 ( 2 - 2 ) 相关带宽本质上是信道处于较强相关状态下的频率差范围，它是描述多径信 道频域特性的一个重要参数。当发送信号的带宽大于信道相关带宽e 时，不同频 率分量受到的影响不同，接收信号严重失真，称这样的信道为频率选择性信道； 反之，若发送信号的带宽小于信道相关带宽毋时，信号的各频率分量通过信道受 到的影响是一样的，称这样的信道为频率非选择性信道。它的频率响应的幅度近 似为常数，相位为线性，信号通过这样的信道后，各频率分量所遭受的衰落具有 一致性，信号波形不失真，无码间串扰，因而这种衰落又称作平坦衰落。 2 ，1 2 多酱勒频移 信道的时变性是指信道的传递函数是随时间变化的，即在不同时刻发送相同 的信号，在接收端收到的信号可能是不同的。时变性在移动通信中的具体体现之 一就是多普勒频移。 。 当移动台在运动中通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒( d o p p l e r ) 效应，这是任何波动过程都具有的特性多普勒效应引起的附加频率偏移称为多 酱勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 。多普勒频移的大小与相对运动速度和运动方向以及载 波频率有关。具体公式如下【l 】 厶；c o s 口 ( 2 3 ) ， 其中，厶为多普勒频移，五为波长，1 ，为相对运动速度，0 为运动速度与电磁波 入射方向之间的夹角。多普勒模型如图2 2 所示 相对运动方向 图2 2 多普勒模型 由于移动台运动，接收信号会产生多普勒频移。而在多径环境中，接收信号 第二章综述 9 为多条路径来的电波，其入射角都不尽相同，当路径数较大时，多普勒频移就成 为占有一定宽度的多普勒频展。即，即使发射信号为单一的正弦波，经过多径传 输后，接收信号也不再是单一的正弦波，而是占据一定频带宽度的信号。，这相当 于单频电波在通过多径移动信道时受到随机调频。多普勒频展特性如图2 3 所示 一石 石 频率 频率 一石石 图2 3多普勒频展特性 在时域内，与多普勒频移相关的另一个重要概念是相干时间。多普勒扩展 的倒数近似等于信道的相干时间，即 ( 出) 。* i 岛( 2 - 4 ) 显然慢变化信道具有较大的相干时间，或等效为具有较小的多普勒频率扩展。 相干时间是信道冲激响应维持不变的时问间隔的统计平均值。即在一段时间 间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。假设发送信号的码元周期为t ，则 信号的带宽w = i t ，如果信道的相干时间( f ) 。比发射信号的码元周期长，即 t “( 出) 。或w 奶 ( 2 - 5 ) 则称此信道为慢衰落信道( 或非时间选择性衰落信道) 。在慢衰落信道中，可以认 为在一个或多个符号周期内，信道不变化或变化缓慢；也可以理解为，当w 也 时。信道引起的多普勒频移相对信号带宽极小。反之。如果信道的褶干时间( ) 。 比发射信号的码元周期短或多普勒频移比信号带宽大，即 t ( 缸) 。或w b a ( 2 6 ) 则称此信道为快衰落信道( 或时问选择性衰落信道) 。 2 2o f d m 系统原理 在无线通信系统中，由于无线电波在空间传播存在反射、折射、散射等，导 致信号经过多条路径到达接收端( 即多径传播) 。由于不同传播路径具有不同的、 随机的延迟特性，从而使无线信道表现出时间色散特性，由此引起的符号问干扰 1 0 o f d m 系统中信道估计技术研究 ( i s i ) 是无线通信系统设计特别是在高速传输的环境中必须考虑的问题。 多载波传输技术可以解决上述问题它的基本恩想饼是把一个高速的数据流 分解成若干低速率的子数据流，以并行的方式在多个子信道上传输。在每个子信 道上，符号周期将大于原始的符号周期，从而消除或部分消除符号间干扰( i s l ) 但为了避免不同信道间的互相干扰，载波频率之问嚣要有一定的保护间隔，这将 导致频带利用率的降低，这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。 正交频分复用技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l 卸l e x i n g ，o f d m ) 种 特殊的多载波传输方案，它以其可以在有效提高传输速率的同时还具有良好的 抗噪声性能、抗多径信道干扰和频谱利用率高等优点，因而被认为是第四代移动 通信的核心技术。 2 2 1 基本思想 o f d m 系统的基本模型【3 】如图2 4 所示。o f d m 的基本原理是：在频域内将 总信道分成很多子信道，每个子信道上使用一个子载波进行调制。各子载波之间 相互正交，且并行传输，各路正交子载波的调制采孀快速傅立时反交换( i f f t ) 来实现。通过将高速串行数据流转化为低速并行数据流，在每一个子信道上的符 号周期就比原始的符号周期长，从而消除或部分消除符号间干扰( i s i ) 。由于在 o f d m 系统中各个子信道的在时间上相互正交，在频率上相互重叠的，这样不但 减小了子载波间的相互干扰。同时又提高了频谱利用率。 型) + 嗉- 匝乎生 审 le ，硼 ，二菡亚 由 并兰蠊b og 酽 并 变变 换 i e j 2 确4 。 l p 一2 k l 换 一 羔一_ 一 2 2 2 正交性 图2 4o f d m 系统基本模型 传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，为了减少各子载波 间的相互干扰。予载波问需要保持足够的频率间隔，从而降低了频谱的利用率。 而在o f d m 系统中，各予载波的频谱是相互重叠的，从而提高了频谱的利用率 同时由于子载波频谱在整个符号周期满足正交性，从而保证了在接收端无失真的 第二章综述 复原。 设o f d m 符号周期为n t ，当各个子载波频率之间的关系为五= f o + 七a ，_ ( k = o ，1 ，2 ，n - 1 ) 。其中n 为载波数目，f o 为发送时使用的最低频率，a ，为相 邻两个载波之间的频率间隔，吼= 2 0 r ，则各子载波间满足正交性就是使下式成 立嘲 p d t = r 0肛n # 脚m bl u j 可以证明。只要适当选择载波间频率间隔4 ，使a f = i n t ，即可保证各子 载波在整个o f d m 信号周期内正交。 o f d m 系统子载波频谱如图2 5 所示嘲。 图2 5o f d m 系统子载波频谱 可见各子载波满足正交性的条件是每个子载波的调制频谱为s i n x x 形状，其 峰值正对应于其他子载波频谱中的零点。这时，各子载波组合在一起总的频谱接 近于矩形频谱，其频谱宽度接近于传输信号的奈奎斯特帮宽，所以o f d m 系统的 频带利用率较高。 图2 6 所示为o f d m 符号中包含4 个子载波时的时域波形卯。 对于时域面言，o f d m 系统中的每个子载波是频率为基本正弦波频率的整数 倍，每个子载波可以看作是一系列傅立叶级数合成信号中的一个。 o f d m 系统中信道估计技术研究 o f d 晰子载波时域皱形 图2 6o f d m 子载波时域波形 由图2 5 和图2 6 可见，o f d m 信号各子载波之间在频谱上相互重叠，而在时 域上相互正交。 2 2 3 频谱利用率 o f d m 信号是由n 个子载波信号叠加而成的，每个子载波的频谱为s i n x x 函 数，并且与相邻子载波频谱有1 2 重叠。设信号星座点数为m ，则o f d m 系统的 频谱利用率为： = 去= 熹+ l l 。9 2 膨 ， 而对于采用同样的调制方式的单载波系统，其频谱利用率为； 刁= 鲁= 三一昭：m ( 2 - 9 ) 可见，当子信道数n 较大时，o f d m 系统的频谱利用率是单载波系统的两倍。 2 2 4 多载波调制与解调【5 2 8 1 o f d m 系统的调制解调可以利用离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m , d f t ) 及其反变换( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m , i d f t ) 实现，特别是利用 d f t 的快速算法f f t 实现的o f d m 系统，其因结构简单、频谱利用率高而备受 关注。 设五( k = 1 , 2 ， r ) 为n 个子载波频率，则多载波已调信号在第f 个码元间 隔内可以表示为 第二章综述 ( f ) = 配 ，t ) e x p o 2 n f d ) ( 2 - i o ) 其中置( 七，f ) 是信号在第f 个码元间隔内所携带的信息，它决定了墨的幅度 和相位。为了叙述方便，常省略码元标号i ；而当子载波采用普通( 没有采用波 形形成) 的q a m 或m p s k 调制时，互( 七，0 与t 无关，从而x 。( 七，r ) 可简写为x ( 七) 。 故式( 2 - 1 0 ) 可写成 j ( ，) = x ( k ) e x l y o 2 刁f k t ) ( 2 - 1 1 ) 设对接收信号的抽样频率为兀，当多载波已调信号的频率 五= 丝n ( 2 - 1 2 ) 时，也就是说当个子载波为解调用的d f t 分辨率的整数倍时，可以用d f t 对多 载波已调抽样信号完成解调( 为了保证正确解调，z ) 在一个码元维持间隔内保 持为常数是必要的) 。 特别地，当子载波的频率间隔为正n 时，由式( 2 - 1 1 ) 有 s ( n f s ) = x ( k ) e x p j 2 ，r ( k f s n ) f s = x ( k ) e x p j 2 册n ( 2 - 1 3 ) 式( 2 - 1 3 ) 为x ( k ) ( 七= 0 ，l ，2 ，n - 1 ) 序列的i d f t ( i n v e r s ed i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m , i d f t ) ，即当子载波频率间隔为兀时，多载波已调信号的时域抽样 序列可以通过i d f t 而得到 由以上分析可知，多载波调制系统的调制可以通过i d f t 完成，解调可以通 过d f t 完成。由数字信号处理的知识可以知道，m f t 和d f t 都可以采用高效盼 f f t 实现。 2 2 5 保护间隔与循环前缀芦1 1 2 刁1 3 0 】 应用o f d m 的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。 o f d m 系统中，通过把输入数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每 一个调制子载波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的倍。正是因为这种 低符号速率，使o f d m 系统可以自然地抵抗多径传播导致的符号间干扰( i s l ) 。 1 4 o f d m 系统中信道估计技术研究 为了最大限度的消除符号间干扰( i s l ) ，还可以在每个o f d m 符号之间插入保 护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度疋一般要大于无线信道中的最大时 延扩展，使得符号问干扰全部或部分落入该保护间隔内，在接收端只要去掉保护 间隔，就可以消除或部分消除符号问干扰( i s i ) 。在这段保护间隔内可以不插任何 信号。即是一段空自韵传输时段。然而在这种情况下，由于多径传播鹩影响，会 产生载波间干扰( i c l ) ，即子载波之问的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生 干扰。 为了在消除( 或部分消除) 符号问干扰0 s i ) 的同时不产生载波间干扰( i c l ) ， 可采用循环前缀( c p ) 的保护间隔插入方式来保证各子载波间的正交性，即将每个 o f d m 符号的后疋时间中的样点复制到o f d m 符号的前面，形成前缀。 循环前缀的插入方法如图2 7 所示 卜f 叶+ 1 叫 ：。 ”1 ： 符号n 图2 7 循环前缀韵插入 加入循环前缀后符号的总长度为z = 疋+ 其中不为采样的保护间隔长 度，z 南为f f t 变换产生的无保护间隔的o f d m 符号长度。 在接收端采样开始的时刻巧应该满足下式： f 。 巧 乙 ( 2 - 1 4 ) 其中f m 。是信道的最大多径时延扩展，当采样满足该式时，由于前一个符号的 干扰只会在存在于 q ，。 ，当子载波个数比较大时，o f d m 的符号周期t 相对 于信道的脉冲响应长度f m 。很大，则符号间干扰( i s i ) 的影响很小，将会没有符号 间干扰( t s d ；而如果相邻o f d m 符号之间的保护间隔疋满足疋之f 。的要求，则 可以完全克服符号间干扰o s d 的影响。同时由于o f d m 延时副本内所包含的子 载波的周期个数也为整数，时延信号就不会在解调过程中产生载波问干扰( i c d 。 注意：循环前缀的引入会使系统传输效率有所下降，这是为了保证o f d m 子 载波间的正交性和消除符号问干扰的必然代价。 第二章综述 2 3 信道估计 在无线移动通信中应用o f d m 技术时，可采用相干解调或差分解调方式。差 分解调由于信号包含在相邻符号之差中，不需要进行信道估计，接收机较为简单， 但是与相干解调相比，性能要差3 4 d b 。并且，差分解调无法应用多电平调制技 术，因此为了获得更高的数据速率和频谱利用率与良好的系统性能，通常采用相 干解调方式。而相干解调依赖于对各载波上信号相位与幅度的变化的了解，因而， 为了获得更好的性能就要采用相干方式，就必须进行信道估计。 2 3 1 信道估计的分类 根据利用的信道资源的不同，o f d m 信道估计大致可分为三类【3 l ： 1 、基于判决( d e c i s i o nd i r e c t ) 的信道估计。这一类信道估计方法需要利用先前 帧或者符号所得到的信道响应估计值来估计当前时刻的信道响应，相当于在接收 机中有一级负反馈。接收机判决结果的准确性很大程度上影响信道估计的性能， 所以要达到比较好的性能，接收机的判决结果必须保证相当高的精度。一般来说， 在利用这种方法进行信道估计时，也会利用一定的导频信号，以提高信道估计的 性能。 2 、导频辅助( p i l o ts 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 m ) 的信道估计。这一类信 道估计方法利用在发射数据流中插入一定数量的时域或频域已知数据( 导频) ，在 接收端利用导频符号，恢复出导频位置的信道响应，7 然后利用某种处理手段( 如， 内插、滤波、变换等) 估计出整个信道的完整响应。根据导频分布情况的不同， 这一类信道估计方法又有一维和二维之分，前者在时间或者频率的一个方向插入 导频信号，后者在时间和频率两个方向插入导频信号，能够更好地反映信道的特 征。 3 、盲的信道估计( b l i n de s t i m a t i o n ) 。盲的信道估计方法不需要传输已知数据， 而是通过使用相应的信息处理技术获得信道估计值。这种方法可以提高有效数据 的传输效率，在高速率的移动通信中具有明显的优势。但盲的信道估计方法一般 收敛速度较慢，计算也较复杂，这就阻碍了它在实际系统系统中的应用。一个解 决方法是采用半盲的信道估计方法，它是在导频辅助和盲的信道估计方法之间作 一个折衷，即使用一定数量的导频并且使用盲的信道估计算法，以实现在比较快 的收敛速度下保证较好的性能。 在上述三类o f d m 信道估计方法中，基于导频辅助的信道估计方法由于数学 原理比较成熟，算法比较简单，易于工程实现而得到了较为广范的应用。 1 6o f d m 系统中信道估计技术研究 2 3 2 信道估计准则 实际应用中o f d m 系统信道估计准则主要采用三种方式 3 1 ： 、最小平方准n ( l s ) - 在接收端】，( 七) = x ( k ) i - l ( k ) + ， ) + v e ( k ) 。z ( 七) 表示 发送信息，y ( 觞代表接收信号，日【) 是信道响应，( 七) 为因多酱勒频偏产生的 载波间干扰( i c i ) ，矿( j ) 为加性高斯白噪声以片) 的傅立叶变换，这样 詹( 七) = r ( k ) x ( k ) 就是l s 算法的具体实现。l s 算法虽然不需要很复杂的计算， 但它的估计均方误差( m s e ) 较高( 估计的结果易受i c i 和高斯噪声的影响) ，性 能较差。 、最小均方误差准则( m m s e ) ：对日的基于最小均方误差准则的估计值为 h 协= f q 强f 6 x h y q - 1 5 式中g k m = r m 【( f ”x ”x f ) - 1 吒2 + 足 】- l ( f ”x 而一，其中r m 时域信道向 量的自协方差矩阵。 m m s e 信道估计器虽然性能较好，但在实现时需要计算一个n n 的矩阵 q k 。，当n 很大时计算量将非常大，运算复杂度高。 、l m m s e 准则：为了降低运算复杂度。文献 3 】提出了一种l m m s e 算法 疗 h z a a a 口。胄( + 靠( 2 - 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 中，s n r = e i x r ，一代表平均信噪比，声= e i 五f 砷，j 气1 2 是一个 仅依赖于信号星座图的常量。如果事先知道或设定信道自相关矩阵r 。和信噪比 s n r ，估计的复杂度将大大降低。 2 3 3 传统的基于导频的信道估计算法 1 、导频分布模式 基于导频的信道估计主要依靠插入数据流中的导频信号来完成对信道响应的 估计，因而导频信号的设置方式( 导频分布模式、导频插入的密度、间隔) 对于 信道估计的方法和性能( 甚至整个系统的性能) 有着非常大的影响。从可靠性的 角度考虑，插入的导频符号越多。估计准确度越高，但有效数据的传输速率就越 低，因此，实际系统中应在估计准确度和传输有效性之间取得折中，根据实际情 况选择合适的导频插入方式。 目前，基于导频的信道估计的导频分布模式通常有三大类1 3 1 1 4 】i t s l ：块状导频 分