（通信与信息系统专业论文）导频辅助的同步与信道估计技术.pdf

摘要 正交频分复用( 0 f d m ) 是新一代无线通信系统的首选技术。导频辅助的同步 和信道估计是无线o f d m 系统的关键技术之一。本文从导频辅助传输技术出发，研 究了基于导频的剩余同步误差估计方法和基于导频的信道估计方法。在导频符号 设置方面，本文研究了导频设置的标准和规则，对现有的导频方式进行了总结； 在剩余同步误差估计方面，本文在研究已有的基于导频的剩余同步误差估计方法 的基础上，结合判决数据导向方法的优点，提出了一种新的联合估计剩余同步误 差的方法，克服了基于导频的估计方法受限于导频数目的缺点，提高了估计的性 能；在信道估计方面，本文提出了一种新的判决反馈的估计方法，新方法克服了 内插方式带来的噪声的影响和导频辅助的判决反馈方法复杂度较大的缺点，提高 了估计性能。 关键词：正交频分复用同步信道估计导频辅助 a b s t r a c t o n h o g 蛆a lf f e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l 戗i n g ( 0 f d 0i sap r o m i s i n gt e c b j l i q u ci n w 砌e s s “，m 街湎c a l i s y s 锄n s p i l o t 蠲s i s t o ds y n c h r o n i z a t i o n 勰dc h a n n e le s t i m a t i o n a 阳k c yt c c _ h n i q u 器i nw i f c l 鼯so f d ms y s t e m s t h ed i s s c r t a l i o n 丽n 南c i l so np i l o t 勰s i s t e dd 龆i d u a ls y n c b 加n i z a t i o n 黜r 硎m a t i o nm c t l l o d s 缸dp i l o t 嚣s i 呶= dc h a l l n d 嚣t i m a t i m e t h o d s kt h ep i l o ta f r 锄肿n 髓t t h ep i 】o ta m n g e m 锄c r i 矧伽锄dm l e a i n v 鄂t i g a t e d w i t ha 翮m m a r yo fa v a i l a b l ea r r a n g e m e n t s hf h er 嚣i d l l a l s y n 幽n i z a l i o n 锄r 硎m a 土i o ni no f d m 岫i s s i s y s t 锄s ，an e wj o i n t 商d u a l s y n 幽n i z a t i o n 嚣n m 撕o nm e i h o di sp r o p o s e db 鹊e d t h ea v a i l a b l ep i l o t 由。鹏a s s i s t 甜 ( p t a ) r e s i d u a ls y n c h r o n i z a t i e s t i m a t i o nm e l h o d s 觚dt l l ea d v 柚t a g eo fd c c i s i o n d i r e c t c dm e i h o d s t h en e wm e i l 脚o v e 啪嚣t h el i m i t e dn u m b 髓o ft h e p i l o t sw h i c h r 器仃i c t sm ep e r f o m a n c eo f t h ep t a m e l h o d s ，觚di m p f o v e st h e 伪d m a 矗p c d o 皿a n c c hn 嵋c h a 衄de s t i m a 6 0 n an e wc l e c i s i o n 矗j e d b a c kc ：h a n n e le s t i m a d o nm e | 【h o di s p r o p o s c dw l l i c hr e d u c 嚣l h en o i 缸恤i n 锄p o l a t i o n 柚dl o w 粥t h eo 啪p l e x 时o ft l l e p i l o ta s s j s t 。dd c c j s i 衄f 捌b a c km e 出o d ，锄di m p y c sl h e 岱t i m 鲥锄p c 而曲锄融 k e y w o r d ：o n h o g 蚰羽f r e q u 钮c yd i v i s j 蚰m l l l 廿p i e x i n g ( 0 f d m ) s ”c h m n i z a 廿蚰 c h a 蛐e le s t i m a l i 叫珀o tt 0 n ea s s i s t e d0 m ) 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所里交的论文是我个人在导 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 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：辑卫阻日期型噬 西安电子科技大学 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 在校攻读学位期问论文工作的知识产衩单位属西安电子科技大学。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。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：王监 导师签名： 醐型堕 日帮4 越童了。 第一章绪论 第一章绪论 1 10 f d m 技术的发展 正交频分复用( 0 f d m ) 技术是高速率无线通信系统中有广阔应用前景的多载 波数据通信技术，它是将高速的数据流分成并行低速数据流，用这样的低比特率 形成的低速率多状态符号去调制相互正交的子载波，从而形成多个低速率符号并 行发送的传输系统。 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被 当作一种复用技术。o f d m 思想最早可以追溯到上世纪5 0 年代末期，而o f d m 技术 的应用可以追溯到上世纪6 0 年代，这一时期，它主要用于军用高频通信系统中， 例如k i n e p l e x ，a n d e f t 和l o 汀h r y n 等。 但是在早期的o f d m 系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦 信号发生器产生的，并且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道 数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。一个简单有效的实现o f d m 技术的方法是 在1 9 7 1 年由w c i n s t c i n 和e b e r t 提出【l 】，他们使用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现o f d m 基带系统中的调制和解调功能，从而省去了正弦信号发生器。为了抵抗符号间干 扰( i s i ) 和载波间干扰( i c i ) ，他们在符号间加入了保护间隔。但是他们的系统在色 散信道上没有获得较好的正交性。另一个重要的贡献是在1 9 8 0 年p e l c d 和r u i z l 2 】使用 循环前缀或循环后缀来解决子载波间的正交性，而不是使用空的保护间隔，他们 把0 f d m 符号的循环扩展添加到保护间隔中，只要保护间隔大于信道的最大脉冲响 应，即使在色散信道上也能获得较好的正交性。到8 0 年代，人们研究如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m 。进入9 0 年代以来，o f d m 技术的研究深入到无线调频信 道上的宽带数据传输，o f d m 作为一种宽带无线传输技术的优势很突出，而且可以 利用有效的新技术去修正和弥补o f d m 的固有缺点，因而被广泛的应用于民用通信 系统中，如h d s l 、a d s l 、v d s l 、d 、d a b 、h d t v 等系统。 近年来，由于数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 技术作为一种可以 有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，更加引起了广泛的关注。目前，人们 正考虑在基于l e e e 8 0 2 1 6 标准的无线城域网和第四代移动通信系统中使用o f d m 技术【3 1 。 2 导频辅助的同步与信道估计技术 1 。2 选题背景及意义 同步是新0 f d m 传输标准制定中存在的技术难题之一，o f d m 系统对同步误差 非常敏感，非常小的同步误差都可能引起系统性能的严重下降。0 f d m 系统中，同 步一般包括两个过程：第一步为同步捕获，即在数据传输开始时建立的同步：第 二步是剩余同步偏移的估计与跟踪，即在数据传输过程中的同步问题。在数据传 输的过程中，由于多普勒频移的影响，收发双方的载波频率稳定度受限，以及收 发双方采样时钟振荡器的不稳定性，造成了剩余载波频率偏移和采样时钟偏移的 存在，虽然这些同步误差的数值较小，但会导致子载波上的信号幅度降低，破坏 子载波间的正交性，并引入载波间干扰( i c d 瞪6 】，使系统误码率增大。针对数据传 输期间同步跟踪问题，国内外已提出大量的技术方案，这些方法大体上可以分为 两类：第一类是导频辅助( p t a ) 的同步方法p 母1 ，即在发送端发送承载信息的o f d m 符号中插入多个导频数据，接收端在f f t 变换后，利用导频子信道上的数据估计出 系统存在的剩余载波频率偏移和采样时钟频率偏移；第二类是非数据辅助的同步 方法【l o 】，又称为盲同步方法，即利用o f d m 符号结构上的特点，如循环前缀、虚 载波、信号的循环平稳性和硬判决数据等，对多个o f d m 符号的予载波上的数据进 行处理，估计出剩余载波频率偏移和采样时钟频率偏移，在这类方法中，比较常 用的是判决数据导向( d d ) 的同步方法。两类方法相比，导频辅助的同步方法， 同步时间短，复杂度低，适于高速实时的通信系统，但其性能受到导频数目的限 制，并且导频的插入降低了系统信息传输的效率。判决数据导向的同步方法，其 同步时间较长，同步算法复杂，特别是在低信噪比的情况下同步性能恶化，但避 免了系统因插入导颓符号而带来的资源浪费。 。同时，跟踪阶段的信道估计也是o f d m 系统的一个关键问题。常见的信道估计 算法一般分为盲信道估计算法、基于辅助信息的非盲信道估计算法以及半盲信道 估计算法三种【l ”。在基于o f d m 的新一代无线通信系统中，由于数据传输效率较 高，而且无线移动信道通常都是具有多径衰落特性和快速时变性，因此只能采用 基于辅助信息的非盲信道估计算法，否则，采用盲信道估计或者半盲信道估计算 法。将无法跟踪上信道特性的变化，从而会恶化系统的性能。基于辅助信息的非 盲信道估计算法主要指基于导频辅助的信道估计算法( p t a ) 。目前国内外已有大 量文献资料对p t a 算法进行研究。基于p t a 信道估计过程般分为两步，第一步是 估计导频子信道上的信道系数，第二步是由导频子信道上的信道系数精确的估计 出其他非导频子信道的信道系数。因此，研究的p t a 算法从这两步入手，出现了许 多的算法。估计导频予信道的信道系数的算法主要分为基于最小二乘估计( l s ) 准则的算法【1 2 】、基于最大似然估计( m l ) 准则的算法和基于最小均方误差 第一章绪论 ( m m s e ) 准则的算澍1 4 】【1 5 】；由导频子信道系数估计出非导频子信道系数的算法 主要有内插算法1 4 】【1 昏切以及在内插算法的基础之上的判决导向算法唧j 【2 “。 在跟踪系统中，我们研究的估计算法都是基于导频符号的算法。因此，我们 称这样的通信系统为导频辅助的传输系统。在上面，导频辅助传输系统中常用的 估计算法以及改进的算法已经介绍过了。在导频辅助传输系统中，导频符号数量 较少，利用导频估计剩余同步误差和信道信息，简单易于实现，同时较少的降低 了数据传输的效率。同时，影响系统性能的还有导频符号的放置方式瞄2 9 】：不同 的导频方式对系统的影响不同。 因此在现有o f d m 同步跟踪和信道估计技术的基础上，深入开展o f d m 系统 中基于导频符号的同步和信道估计技术的研究，一方面优化导频符号的放置方式， 同时折中考虑估计算法的性能和复杂度，提出满足未来多媒体无线o f d m 通信系 统信息传输要求的新方法，对于新一代无线0 f d m 通信系统的研究与传输标准的 制定具有重要意义。 1 3 论文的主要研究内容 根据1 2 节中讲述的背景，本文主要的研究内容分为三部分：导频符号的研究， 基于导频符号的同步估计算法的研究以及基于导频符号的信道估计技术的研究。 其详细内容有以下几个方面： l 、导频符号的最优设计 在导频符号辅助的o f d m 系统中，同步剩余误差的估计和信道估计的性能不仅 取决于接收端估计算法的性能，还与发送端导频符号的设计密切相关。不同的导 频设计适合不同的信道环境，如果设计的导频符号与当前的信道衰落环境失配， 则将严重影响信道估计性能，甚至使系统无法正常工作。因此，导频符号的设计 是0 f d m 系统中的一个重要环节。 2 、o f d m 系统剩余载波频偏和采样时钟偏移同步估计算法的研究 由于0 f d m 系统中，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。然而由于无线信道的多径和时变特性，以及在传输过程中由于多普 勒频移引起的无线信号的频率偏移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡 器之间存在的频率偏差，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 导致子信道间的信号互相干扰，这种对频率偏差敏感是0 f d m 系统的主要缺点之 一。因此，在跟踪阶段，对同步剩余误差进行估计将是重点研究对象之一。 3 、跟踪阶段的信道估计算法的研究 无线通信的调制方式主要差分调制( 差分检测) 和非差分调制( 相干检测) 两大类。对于差分系统来说，信息是由两个连续符号的差分来表示的，因此，接 4 导频辅助的同步与信道估计技术 收端可以不用知道信道的相关信息，这样就减少了接收端的设备复杂度。但差分 系统的缺点就是存在3 d b 的噪声，而且不能使用多幅度的星座图映射，因此不适合 用于高数据速率的系统中。然而，对于非差分系统来说，可以使用任何形式的星 座图。当采用多幅度的星座图时，每一个符号携带的信息量增加，因此该种方式 被广泛应用子高数据速率的系统中。但在该系统中，接收端需要知道信道信息， 因此需要信道估计，而且信道估计算法的设计和实现对系统的接收性能和复杂度 有着重要的影响。在0 f d m 系统中，更要追求较高的带宽利用率和较高的信号传输 速率，因此，非差分系统的使用以及信道估计的算法将是跟踪阶段的又一主要研 究对象。 1 4 论文的章节安排 第二章介绍了导频辅助传输技术的研究状况。首先，简要介绍了导频辅助传 输技术的背景；其次，详细介绍了导频辅助传输系统发送端导频符号放置的标准 和方式；再次，概要介绍导频辅助传输系统中接收端的估计算法；再次，说明了 导频辅助传输系统现存的一些问题，为以后的研究准备好方向；最后是对本章的 一个小结。 第三章首先归类并阐述现有的跟踪阶段的剩余载波频偏和采样时钟偏移联合 估计方法。同时，在现有的基于导频的同步误差联合估计方法的基础上，并结合 判决反馈方法的优点，提出了种新的联合估计剩余载波频偏和采样时钟偏移的 方法，该方法克服了导频辅助方法受限于导频数日的缺点，同时克服了判决反馈 算法的时延较大的缺点，最后的仿真结果验证新算法的性能比导频辅助算法的性 能优越。 第四章详细讲述现有的基于导频符号的信道估计算法，在详细分析现有的各 种算法的基础上，提出了一种新的的信道估计方法，最后仿真表明，该新方法提 高了估计的性能。 第五章是对上述章节的一个总结，并对今后如何在该领域继续研究进行了探 讨。 第二章导频辅助传输技术的研究 第二章导频辅助传输技术的研究 2 1 导频辅助传输技术的概述 导频辅助传输( n 玎) 是一种宽带无线通信数据传输方式，它将数据符号分组 组成块进行传送，并在各块中放置一定量的导频符号，接收机根据每个块中的导 频符号完成对信道的实时估计，根据估计的信道信息完成对数据的接收处理，或 者接收机利用导频符号直接来进行一些参量的估计，以完成接收端信号的恢复。 目前在宽带无线通信中得到广泛应用的正交频分复用( 0 f d m 砒0 9 0 n a l f r e q u c yd i “s i m u l t i p l e x i n g ) 系统即为一种导频和数据频分方式的p a b t 系统。 根据导频符号的用途，接收机可以分为两类：参数方法接收机和非参数方法 接收机( 如图2 1 所示) 。在参数方法接收机中，系统首先估计出信道参数，然后 使用这些估计出的信道参数来协助进行解调和解码。在图中，信道估计器可以获 得导频向量岛( 或者可能整个观测向量y ) ，产生信道估计值口，然后将估计值送到 解码器。在实际应用中，一个最简单的方法就是将估计出的信道参数作为观测值 的一部分，这样解码器可以得到( 口，) ) 的联合统计，最后完成解码功能。而在非参 数方法接收机中，导频符号被直接用于接收机的解码过程中( 如图2 1 中，用虚线 代替了信道估计) 。 图2 1 导频辅助接收机框图 在导频辅助传输系统中，系统的性能一方面决定于发送端的导频设置方式， 另一方面跟接收端的估计算法也有着重要的关系。首先，系统需要按照一定的标 准和准则选择和设置导频方式；其次，在导频设置方式一定的前提下，系统需要 对信道和同步剩余误差进行估计和补偿，使得系统的整体性能达到最佳。 6 导频辅助的同步与信道估计技术 2 。2 导频放置方式 在2 1 节中已经提到，采用导频辅助传输技术的系统的性能决定于发送端设置 的导频方式和接收端采用的估计算法。导频方式的设置对接收端估计算法的准确 度乃至整个系统性能都有很大影响。在对导频设置方式的研究中，除了需要遵循 基本的设置准则之外，还要依据具体的信道环境来确定导频的个数和放置位置。 总之，对导频设置方式的研究，就是在系统的有效性和可靠性之间找到最佳的平 衡点。导频方式的设计主要包括两个方面：导频插入数且和最佳放置位置的确定。 下面来详细介绍确定导频放置方式的基本原则和基本的导频放置方式。 2 2 1 理论基础及导频最优设置标准 首先，导频设置的方式已经具备众多的方案，而统一不同方案的关键就是将 导频设计的问题看作是一个功率分配的问题。如图2 2 所示，将o f d m 系统导频方 式设置如下：在某个子信道上，每一个传输的符号勘被建模成为一个已知的导频 和一个携带信息的数据符号鳍的线性组合，即 却= 蟊簖+ 珞 ， f = l ，f = 1 ，口( 2 1 ) 其中，满足k | - l ，且已知分配的功率蟊 o ，以及是零均方差为1 的未知 数据，而且平均功率托o ；以及b 指分组大小，n 是o f d m 系统子载波的个数。 定义一个具有n b 维导频矩阵品= l l 的导频数据传输方案，该方案以非负 功率分配矩阵m = 【靠】和r = 【托】为参数。图2 2 中阴影部分是指o f d m 系统中某个 分组的某个子载波上分得的和阴影区域大小成比例的功率。 在这个传输模型下，所有传输的目标都是功率受限的，以及存在许多的方式 都能使得这种限制强加到导频辅助传输方案上。在这里，假定n b 矩阵。和r ， 平均功率限制给定如下： 击喜黝曲1 2 ) = 击喜静川 ， 式中，q 指一个传输分组中所有分配的能量总和。 在准静态衰落信道条件下，文献【2 2 】通过使得克拉美罗界最小，得到了如下定 理：假定信道的冲击相应长度为l ，o f d m 系统中导频符号的数量p ( p l ) ，n 为 一个o f d m 符号中的子载波总数，且有n 铆心。当导频等间隔分布于o f d m 符号中 时，即： 西= f ，f + 册+ 1 ，f + 2 ( m + 1 ) ，f + ( p + 1 ) ( m + 1 ) ，f ( 1 ，埘+ 1 ) 第二章导频辅助传输技术的研究 7 _ 导频符号分得的功率 口 数据符号 图2 2o f d m 系统导频设置模型 对于任何一组导频符号，都得到相同的克拉美罗界，当数据符号和导频符号 具有如下能量关系时： ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，j i l = 叫( + p ) ，g = ( + p ) ，七= ( p ( 一工一1 ) ) ( ( 三+ 1 ) ( ( + p ) + 砖) ) 以 及，= j i l 肛+ 1 时，克拉美罗界最小。 为了研究的方便起见，在研究导频放置位置、数量以及能量的众多因素中， 假定导频能量和数据符号的能量相同，即：砌= 肛，在文献【2 3 】中，在无线衰落信 道条件下，同样是在研究克拉美罗界的基础上，得出了如下的结论：导频的个数 至少为l + 1 个，对于固定数量的导频簇，每一簇间隔固定的距离，在这个前提条件 下，如果在每一簇的中间位置放上导频，则得到的克拉美罗界均相同；如果每一 个簇中仅使用一个导频符号，只要导频符号不位于整个o f d m 符号的前l + 1 个位置 和后l + 1 个位置，得到的导频设计均为最佳设计。 对于瑞利衰落信道条件和频率选择性衰落信道条件下的导频放置方式，文献 2 4 】和【2 5 】中分别对其进行了探讨和研究。固定接收端的跟踪算法，将一个o f d m 持续时间t 内的平均m s e 值作为标准，通过使得该m s e 值最小，推出导频的最优放 置方式，即：在衰落信道条件下，导频符号的数量至少大于信道冲击响应的长度， 而导频符号的位置则是均匀地分布在整个o f d m 符号中，这样，接收机可以足够快 的估计和跟踪信道的变化。 同时，由于无线传输系统中，信号传输速率非常高，通常将数据符号组成帧 之后，发到信道上进行传输。因此，研究各种信道条件下的导频放置方式，将在 万了上瓜 厉 厉 万 万 噜 矿 导频辅助的同步与信道估计技术 二维信道条件下进行深入研究。 2 2 2 时域、频域方向上的导频设置规则 由于信道的频率响应可以看作是一个二维的随机信号，插入导频实际可以看 作是进行二维采样。为了能够利用插入的导频通过插值得到所有时、频空间上所 有载波的信道估计值，插入导频的间隔必须满足奈奎斯特抽样定理。0 f d m 系统中 的导频设置，应同时考虑所插入导频符号在频率方向的最小间隔，和在时间方向 上的最小间隔m 。下面从时域和频域两个方面，并结合抽样定理给出导频插入数目 需要满足的条件： ( 1 ) 信道在频域上的变化对应于信道的最大时延扩展r m 。根据频域抽样定理 r 满足： ，1 ( 2 f 一e ) ( 2 - 5 ) 其中必为子载波间隔。 ( 2 ) 信道在时域上的变化对应于多普勒扩展五。根据时域抽样定理m 满足： m 1 ( 2 五r ) ( 2 6 ) 其中t 为o f d m 符号间隔。 ( 3 ) 对于信道传输函数比较好的抽样还应该尽量满足时间取样率和频率取样 率平衡，即满足： 五7 ，zo 5 f 一蝇 0 ( 2 7 ) 基于以上介绍的基本准则，一帧中包含的所有导频符号总数为： = 爿 矧 ， 其中，肮为总载波数，肛为一帧所包含的o f d m 符号数。 2 2 3 理想信道和a w a g 信道条件下的导频放置方式 文献 2 6 中，基于m m s e 估计准则研究训练符号的导频优化间隔，n e g i 和 c i o f f i 两人提出了系统中导频的最优设计准则，即：假设信号所在信道的最大冲 击响应长度为l ，0 f d m 符号的子载波个数如前所述为n 个，有以下结论； 在没有噪声的条件下，o f d m 系统n 个子载波中任意l 个作为导频符号使用， 都可以完整的恢复出信道信息，即：估计出信道系数需要使用的子载波数目至少 等于信道冲击响应的长度l 。 第二章导频辅助传输技术的研究 9 而在高斯白噪声情况下，最佳导频点的位置应该是等间距的，当l 个导频的位 置为 p 争一堕半) f = 叫，譬一 亿9 ， 对于这种导频放置方式，在接收端对其进行内插估计非导频子信道的信道信 息时，噪声对信道估计性能的影响最小。 2 2 4 衰落信道下的导频放置方式 研究导频方式标准已经见于众多的文献中，同时，结合2 2 。l 中讲述的导频设 计标准和2 2 2 节中讲述二维导频信号设计规则，在本节中，将对现有的常用的导 频设计方式进行总结和研究。 2 2 4 1 块状导频方式和梳状导频方式 根据0 f d m 系统的特点，可以在时域和频域两个方向上对信号进行处理，这意 味着可以在两个方向上向符号中插入导频信号。因此，导频图样通常是一个二维 的区域概念。而最典型的两种导频设置方式就是块状导频方式和梳状导频方式， 根据其对信道跟踪能力的不同，不同的导频设置方式适用于不同的信道传输环境。 块状导频方式是指，频域上的每个频点都插入导频符号，时域上导频符号则 是周期性地插入在o f d m 符号中，如图2 3 所示；梳状导频方式则是在时域上的每 个采样点上都插入导频，在频域周期性地在频点上插入导频，如图2 4 所示。 锝 骚 时间 。数据符号 导频符号 图2 3 块状导频方式 在文献 2 7 中，对基于这两种典型导频设置方式的估计算法进行了仿真，得 出了下述结论： 块状导频方式适用于块衰落或者慢衰落的无线信道。从一个全导频的o f d m l o 导频辅助的同步与信道估计技术 符号上获得的信道信息即为该o f d m 块中所有信道频点上的信道特性。在这种导频 设置模式下不需要在接收端进行插值处理。因此，该基于该导频放置方式的估计 算法简单易于实现，而且对频率选择性不是很敏感。但是当信道变化变快时，基 于该方式的估计算法性能会急剧下降。 与块状导频方式不同，梳状导频均匀分布在每个o f d m 块中。因此基于该方式 的估计算法对快衰落信道的信道特性估计效果较好，对时变信道的跟踪能力强， 适合于复杂的无线传播环境。然而，在基于梳状导频方式的估计算法中，非导频 子载波上的信道特性必须根据导频子载波上的信道特性进行插值后得到，因此， 相对于块状导频方式，梳状导频方式在接收端的估计实现相对复杂。 总之，在慢衰落信道条件下，系统采用这两种导频方式进行估计和跟踪，其 性能几乎没有差别。但是根据接收端估计算法的复杂与否，选用块状导频方式是 一种理想的选择，算法简单，易于实现。然而，现实中的无线信道面临许多的困 难：在无线信道中，各种障碍物产生的多径传输和多普勒频移产生的多普勒效应， 带来了线性时变特性，如小尺度衰落；以及由于收发信机之间的距离，障碍物的 遮挡和雨雾等的吸收造成的大尺度衰落等等，这些因素决定了无线信道的复杂性 和快衰落性。因此，在快衰落信道条件下，系统必须具有一定的信道实时跟踪性 能。所以，选择梳状导频方式是最佳的选择，既能够更好的估计和跟踪信道的变 化，又能够更好的估计和跟踪剩余同步误差。 静 骚 。数据符号 时间 导频信号 图2 4 梳状导频方式 2 2 4 2 梳状导频方式的改进形式 在该部分中，主要介绍适合于快衰落信道条件下的导频设置方式。首先介绍 一下快衰落的定义。所谓快衰落，是指在传输的小频段内，或是在传输一个包的 时间内，或是符号到符号之间，信道特性发生变化。典型的快衰落信道比如 第二章导频辅助传输技术的研究 g 孤s s - m a r l 【o v 信道模型和j a k e 信道模型。 在快衰落信道条件下，文献【1 l 】 1 2 】 2 8 】 2 9 】提出了诸如菱形导频方式、矩形导 频方式、h p 导频方式、优化导频方式以及六边形导频方式等设置方式。这类导频 设置方式可以归类为二维离散分布的导频设置方式。这种设置方式的好处在于， 保留了梳状导频考虑每个符号信道时变特性的优势之外，兼顾了频率资源占用的 合理性，并解决了梳状导频对频率选择性衰落敏感的缺点。在时域频域两个方向 上以一定间隔有规律地插入导频，在接收端通过二维信道估计处理，得到二维图 案中所有频点上的信道特性。在目前o f d m 系统中使用的信道估计的导频设置研究 中，广泛采用了这类模式。 文献 1 1 提出了一种菱形导频方式。该方式如图2 5 所示，即：每几个o f d m 块中取一组导频信号，在每两个具有导频信号的o f d m 符号中，导频信号的位置和 前一个符号中的位置相比偏移了一个子载波。文献将其与梳状导频方式进行了比 较，得出了以下结论：在a w g n 、时不变信道条件下，基于该两种导频方式的估 计算法性能完全一样；但在信道快变化的条件下，基于菱形导频方式的估计算法 性能要优于基于梳状导频方式的估计算法。这是由于前者的导频插入的方式分散 在不同的o f d m 符号的不同子载波频点上，因此能够较好的跟踪不同符号下信道状 态的变化，特别是在信道快变化的条件下这种优势更加明显；而后者的估计实际 是假设了信道在连续若干个子载波频点上不变，这样仅仅的估计某个子载波频点 的信道状况，然后利用导频子载波频点的信道状况估计出非导频子载波频点的信 道状况，这样的估计效果不能充分地估计出每个子载波频点上的信道状况，尤其 在快衰落信道条件下，其估计性能会受到严重影响。 褥 爨 渊燃 黼隅 。数据符号 时间 导频信号 图2 5 菱形导频方式 文献 1 2 提出了一种矩形导频方式。该方式如图2 6 所示，即：按照2 3 2 节 导频辅助的同步与信道估计技术 中讲述的规则，每隔几个o f d m 符号、每隔几个子载波插入一组导频信号，导频信 号的位置围成了类似矩形的形状，因此形象的称谓矩形导频放置方式。在文献 2 8 中，在快衰落信道条件下，对基于矩形导频方式和块状导频方式的信道估计算法 进行了仿真比较。矩形导频方式是对梳状导频方式的改进，适合于快衰落信道的 条件，因此基于该方式的信道估计算法的性能较高。同时，和梳状导频方式相比， 减少了系统中的导频数目，提高了数据传输的效率。 姗 骚 o 数据符号 时间 导频信号 图2 6 矩形导频方式 文献 2 9 】中，p h o c h c r 提出了一种h p 导频方式，如图2 7 所示。该方式是对矩 形导频方式的一种改进，即：导频信号也是每个几个o f d m 符号、每个几个频点放 置，在相邻的放置导频信号的o f d m 符号中，导频信号是逐渐变换位置的。 褥 骚 o 数据符号 时间 导频信号 图2 7 肿导频方式 第二章导频辅助传输技术的研究 文献 2 8 中，通过分析矩形导频方式、菱形导频方式以及h p 导频方式，提出 了一种优化导频方式。该方式如图2 8 所示，即：每一个o f d m 符号中，仅放置一 个导频信号，导频放置的方式是最优而且预先确定的，该方式的规则是在最小的 一个符号持续时间内获得误码率最小。同时，在该文献中，将基于块状导频方式、 矩形导频方式、菱形导频方式以及随机矩形方式的信道估计算法进行了仿真性能 比较，通过比较得出：在快衰落信道条件下，基于该导频方式的估计算法最优， 最能在快速衰落条件下，反映信道的变化，从而完成跟踪信道的性能。 横卜 爨 o 数据符号 时间 导频信号 图2 8 优化导频方式 另外，还有一些其他的导频放置方式，如六边形导频方式，该方式又分为两 种，如图2 9 所示。这在文献 2 7 】中进行了详细的介绍，同时文献将基于该导频方 式和块状导频方式以及梳状导频方式的信道估计算法进行了仿真并比较。 在低速情况下，信道的变化相对较为平缓。采用六边形、矩形导频分布图案 的系统在性能上与梳状导频设置条件下系统性能基本相同。这是由于在离散导频 设置方式下，接收端进行信道估计时，同时利用了信道的时域和频域相关性。虽 然插入的导频数远小于梳状导频图样中的导频数，但仍然可以获得较好的系统性 能。随着移动速度加快，信道时变性增强，由于离散导频图样中导频数目较少， 对信道跟踪性能逐渐变差。但在车速为1 2 0k m h 一3 0 0 k m h 范围内，离散导频设置 对信道的跟踪性能可以保持在较好的水平上。可见，系统在快变信道环境下采用 离散导频设置可以在保证一定的系统有效性的同时保持较好的信道跟踪特性。 对于不同形式的离散导频设置，在不同信道条件下的性能表现也各不相同。 与矩形的导频设置方式相比，六边形的设置方式在各种车速条件下系统的性能表 现更好。特别在快衰落信道下，与采用矩形导频相比，采用六边形的导频设置能 够提高系统性能。 1 4 导频辅助的同步与信道估计技术 图2 9 中给出了两种六边形的导频设置方式，六边形( a ) 采用了边缘和中心较 为均匀的设置方式，在信道变化相对较快时，可以较好地跟踪信道的变化情况； 而六边形( b ) 则主要占据了每个o f d m 块接近边缘的位置，这样用于估计未知点信 道特性的导频距离导频图样的中间区域的位置较远，在信道变化较快时，跟踪性 能略差；然而在低速条件下。将导频分布在边缘可以在得到边缘位置较为准确的 信道特性的同时，保证二维图样中心位置信道特性估计的准确度。通过仿真对比 可以得出：在低速信道环境下，六边形( b ) 导频设置下系统性能优于六边形( a ) 。 但是随着移动速度的提高，系统在这两种导频设置图样下的性能对比关系开始发 生变化，系统在六边形( a ) 导频设置下性能优于采用六边形( b ) 的导频设置图样。 _ 一 导频信号。数据符号 图2 9 六边形导频方式 2 3 接收端估计方法 在2 2 节中，已经讲述过导频辅助传输系统的性能依赖于发送端的导频设置方 式；同时，另一个影响系统性能的重要因素就是接收端采用的估计算法。在本节 中，主要从剩余同步误差估计算法和信道估计算法两个方面来介绍接收端采用的 估计算法。 在0 f d m 系统中，接收端的同步过程主要包括两步，第一步为同步捕获，即在 数据传输开始建立的同步，主要任务是估计并校正在收发信枫之间存在的初始载 波频率偏移和符号定时同步偏移，以实现o f d m 符号的正确解调。第二步是剩余同 步误差的估计与同步跟踪，即在数据传输过程中进一步估计系统载波频率偏移和 采样时钟偏移以及跟踪它们的变化，以减小同步误差对系统性能的影响。在采用 导频辅助传输技术的系统中，同步估计算法主要指跟踪阶段的剩余同步误差的估 计算法。 在传输过程中，0 f d m 系统由于收发两端载波振荡器的频率之间的不匹配和信 懿霆一露黜鼹隧髑一图 第二章导频辅助传输技术的研究 道中的多普勒频移而产生的剩余载波频偏，以及由于收发两端采样时钟振荡器频 率之间的不匹配和频率稳定度受限引起的采用时钟同步误差。这些误差的数值虽 然较小，但会导致子载波上的信号幅度降低，破坏子载波间的正交性，并引入子 载波间干扰，使系统误码率增大。因而在o f d m 信号传输过程中，必须对剩余载波 频率偏移和采样时钟偏移进行估计与跟踪。 目前已有大量的文献针对o f d m 传输系统在同步跟踪阶段的特点，提出了许多 对剩余载波频率偏移和采样时钟偏移进行单独或联合估计的方法，这些方法大体 上可以分为两类。第一类是导频辅助的同步估计与跟踪方法；第二类是非数据辅 助的同步方法，又称为盲同步方法，在这类方法中，比较常用的是判决数据导向 的同步估计与跟踪方法。两类方法相比，导频辅助的同步方法，同步时间短，复 杂度低，适于高速实时的通信系统，但其性能受到导频数目的限制，并且导频的 插入降低了系统信息传输的效率。盲同步方法，其同步时间较长，同步算法复杂 高，特别是在低信噪比的情况下同步性能恶化，但避免了系统因插入导频符号而 带来的资源浪费。 同时，在接收端，对信道状况的估计与跟踪同样也是由导频符号来完成的。 信道估计是通信系统获取信道信息的手段，是正确解调数据的前提条件，在通信 系统中占有关键地位，无论是以前的窄带系统还是高速发展中的宽带系统，均有 着大量关于信道估计技术的研究文献。 在早期的窄带无线系统中，由于所需的数据率较低，因而发送符号周期长， 信号带宽窄，信道对信号呈现平坦衰落，即发送符号到达接收机时仅有幅度和相 位的变化，符号间并不会产生混叠。这时只需要简单的在发送数据流中分散的插 入一些已知符号，接收端观测这些已知符号的幅度和相位即可完成信道估计，此 即在平衰落条件下被广泛研究的导频辅助传输( p s a m ) 系统。发展到宽带无线系 统后，由于发送符号周期变的很短，信号带宽变宽，信道对信号呈现频率选择性 衰落，符号间串扰( i s i h t 盯s y m b o lh l t c r f 打胁) 十分严重。目前，在宽带无线 通信系统中，信道估计方法主要分为三大类：基于导频符号和插值技术的信道估 计方法、判决反馈估计方法和盲信道估计方法。 基于导频符号的信道估计方法，就是利用接收机已知的信息来进行信道估计。 它的一个好处是应用广泛，几乎可以用在所有的无线通信系统；缺点是大量的导 频信号会降低有效数据传输速率，浪费带宽。目前，主要有两类导频插入方式： 一是根据抽样定理，在时频二维空间上插入梳状导频，即按照一定规律将导频分 布在整个时频空间上；另一是训练符号的方式，即在某些符号的所有子载波上都 插入导频，而在随后的一些符号中插入极少的导频甚至不插入导频。 利用频域导频符号进行信道估计的最大似然估计法( m l e ) 和最小均方误差 估计( m m s e ) 是两种典型的信道估计方法。m l e 法不需要信道的统计特性和噪 1 6 导频辅助的同步与信道估计技术 声比，但需要将信道边缘处的导频间距适当缩小，这在实际工程实现时不易操作： m m s e 法需要知道信道的先验知识，算法比m l e 法更复杂，性能更好。 信道盲估计方法是在信道估计中并不发射任何导频信号给接收端，而是仅利 用接收信号的统计特性对信道进行识别。例如：基于自相关矩阵的子矩阵的信道 盲估计算法、基于子空问分解的信道盲估计算法、基于输入数据循环平稳性的信 道盲估计算法、改进的c h o l e s b 分解算法、基于输入信号的高阶统计量进行信道的 盲估计算法等。前三种盲辨识方法主要缺点是不能保证所有的f i r 信道均能辨识； 改进的c h o l 髓k y 分解算法大大降低了自相关矩阵的子矩阵的信道盲估计算法的复 杂度；基于输入信号的高阶统计量进行信道的盲估计的主要优点是不管信道是否 有零点，均能保证辨识。这种方法无需训练序列，节省了带宽，但信道盲估计算 法的计算量相当大，给实际工程应用造成了巨大的阻碍。 2 4 导频辅助传输技术存在的问题 从本章上述几节的内容可以看出，导频符号的作用是显而易见的。接收机根 据每个块中的导频符号可以完成对信道的实时估计，再根据估计得到的信道信息 完成对块中的数据符号的检测，最后完成数据准确传输的目的；或者接收机在完 成同步捕获之后，利用导频符号完成对同步剩余参量的估计，然后利用估计值对 接收端数据进行补偿，最后完成数据准确传输的目的；当然，利用导频还可以在 跟踪阶段，完成对相位噪声的估计和跟踪等等。因此，由于通信数据率高、信号 带宽变大，信道往往呈现频率选择性，同时移动性会造成信道的时变，现有的欧 洲的d v b t 、美国的a t s c 和日本的i s d b t 系统，以及目前正在研究中的第四代移 动通信、无线网络和数字电视广播系统无一例外的采用了导频辅助传输技术，即： 在发送信号只能够放入一定量的导频信号的方法，接收机基于导频做信道估计， 并根据信道信息对数据进行均衡解调。 然而，从另一方面来说，导频辅助传输技术也存在一些研究的难点。首先， 在现有的无线环境下，信道带宽是一个紧缺的资源，而导频符号的存在，占据了 一定的带宽，相对的降低了数据传输的速率：其次，为了节约有限的带宽，在现 有的系统标准中，都是使用了有限个数的导频，但在实际环境中，各种系统又会 由于导频的数量，而限制了导频辅助传输技术的性能。 因此，随着无线技术的发展，在有效的带宽的前提下，在现有的系统中一方 面如何有效的设置导频方式，另一方面如何有效的利用导频数据，以及如何有效 利用导频符号之外其他的数据来辅助导频数据，将是一个非常关键的研究课题。 第二章导频辅助传输技术的研究 2 5 本章小结 导频辅助数据传输技术在现代的通信系统中应用非常广泛。因此，本章对导 频辅助传输技术进行了研究。导频辅助传输系统的两个关键因素就是发送端采用 的导频放置方式和接收端采用的估计方法。论文首先对导频放置方式的基础和标 准进行了阐述，并从奈奎斯特抽样定理的角度说明导频放置的规则，然后对现有 的导频放置方式进行了系统的总结。在这些导频放置方式中，矩形导频方式、菱 形导频方式、h p 导频方式以及六边形导频方式都是对梳状导频方式的改进，减少 导频的数目，提高了数据传输速率，同时也提高了估计的性能。同时，论文还对 接收端采用的估计算法进行了概述，并在最后提出了导频辅助传输技术存在的问 题。 第三章导频辅助的剩余同步误差估计方法研究 第三章导频辅助的剩余同步误差估计方法研究 目前已有大量的文献针对o f d m 传输系统在同步跟踪阶段的特点，提出了许多 对剩余载波频率偏移和采样时钟偏移进行单独或联合估计的方法，这些方法中， 主要有导频辅助( p i a ) 的同步估计方法【删和非数据辅助的同步估计方法【“，比 较常用的非数据辅助的方法是判决数据导向( d d ) 的同步估计方法。本章将在综 述国内外关于剩余同步误差( 剩余载波频偏和采样时钟偏移) 同步估计文献的基 础上，提出一种改进算法，提高了估计性能。该算法既可以用于联合估计剩余载 波频偏和采样时钟偏移，也可以单独用于估计剩余载波频偏或者采样时钟偏移。 3 1 具有剩余同步误差