（通信与信息系统专业论文）ofdm系统的信道估计关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源日益紧张，如何节约现有的频谱资 源成为迫切需要解决的问题，正交频分复用( o r t h 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 ) 技术因其极高的频谱利用率、良好的抗多径干扰能力，日益 受到人们的广泛关注，因此我们有必要对o f d m 技术进行深入的研究。 信道估计作为o f d m 系统的关键技术之一，在o f d m 系统中扮演着非常重要 的角色。另外由于良好的信道估计离不开信噪l l , ( s i g n a ln o i s er a t i o ，s n r ) 估计， 因此本文将信道估计和s n r 估计放在一起进行研究。 本论文的第一章简要介绍了o f d m 技术的发展历史和优缺点，指出了o f d m 技术应用到无线通信中的意义以及信道估计在o f d m 技术中的重要地位，接着分 析了信道估计的研究现状。研究信道估计的前提离不开对无线信道的全面理解， 为此第二章首先分析了无线信道的衰落特性，接着通过建模介绍了o f d m 信道模 型，最后介绍了d v b 实测信道模型。 第三章首先综述了现有的信道估计算法和插值算法，接着通过理论分析和性 能仿真比较了不同算法的优劣，指出变换域信道估计算法因其复杂度不高、性能 较好是一种良好的算法。 因为m m s e ( m i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r ) 信道估计算法 需要信道和噪声的二阶统计特性，为此本章给出了一个信道自相关矩阵的求解方 法，并在最后给出了多径衰落信道下的一种简单有效的s n r 和噪声估计算法，该 算法利用多径信道能量集中在前若干径的特性，凭借简单的处理便能够获得良好 的估计性能。 第四章则围绕n c o f d m ( n o n c o n t i g u o u so f d m ) 系统的信道估计展开研究， 首先介绍了n c o f d m 系统的工作流程，针对n c o f d m 系统子载波不连续的特 点，分析了其导频图案的特别之处，提出了一种修正变换域信道估计算法，该算 法以l s 估计为基础，借助简单的矩阵运算实现降噪和插值处理，从而改善了估计 性能。论文的最后是全文总结，并指出了o f d m 信道估计技术的现有遗留问题和 下一步的工作方向。 关键词：正交频分复用，信道估计，s n r 估计，变换域 a b s t r a ( 玎 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , s p e c t r u m r e s o u r c e sa r es t r a i n e di n c r e a s i n g l y , h o wt os a v et h ee x i s t i n gs p e c t r u mr e s o u r c e sb e c o m e a nu r g e n tp r o b l e mn e e d e dt os o l v e ，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 ) t e c h n o l o g yh a sr e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o nf o ri t sh i 曲s p e c t r u me f f i c i e n c ya n dg o o d a b i l i t yt oa n t i m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ，s oi ti sn e c e s s a r yt om a k eat h r o u g hr e s e a r c ho n o f d m t e c h n o l o g y a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fo f d ms y s t e m , c h a n n e le s t i m a t i o np l a y sav e r y i m p o r t a n tr o l ei no f d ms y s t e m i na d d i t i o n , ag o o dc h a n n e le s t i m a t o rm u s tr e l yo n s i g n a ln o i s er a t i o ( s n r ) e s t i m a t i o n ，t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sw i l li n v e s t i g a t ec h a n n e l e s t i m a t i o na n ds n re s t i m a t i o nt o g e t h e r c h a p t e ro n eo ft h i s t h e s i sb r i e f l yd e s c r i b e dt h ea d v a n t a g e s d i s a d v a n t a g e sa n d d e v e l o p m e n th i s t o r yo fo f d mt e c h n o l o g y , a n dp o i n t e do u tt h es i g n i f i c a n c eo fo f d m i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dt h ei m p o r t a n c eo fc h a n n e le s t i m a t i o ni no f d m t e c h n o l o g y , t h e na n a l y s e dt h ec u r r e n tr e s e a r c ho fc h a n n e le s t i m a t i o n f o rc h a n n e l e s t i m a t i o ni si n s e p a r a b l ef r o mt h ec o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go fw i r e l e s sc h a n n e l i n c h a p t e rt w o ，t h ec h a n n e lf a d i n gf e a t u r e sw a sa n a l y z e df i r s t l y , a n dt h e nt h eo f d m c h a n n e lm o d e lw a se x p l a i n e d f i n a l l y , d v bc h a n n e lm o d e la r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e rt h r e e ，t h ee x i s t i n gc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n di n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h ma leo v e r v i e w e da tf i r s t ,a n dt h e nt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f d i f f e r e n ta l g o r i t h m sw e r ec o m p a r e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n i ta l s o p o i n t e do u tt h a tt r a n s f o r md o m a i nc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sag o o da l g o r i t h mf o r i t sl o wc o m p l e x i t ya n db e t t e rp e r f o r m a n c e b e c a u s em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mn e e db a s eo nc h a n n e la n dn o i s es e c o n d - o r d e r s t a t i s t i c a lp r o p e r t y , as o l u t i o nm e t h o do fc h a n n e la u t oc o r r e l a t i o nm a t r i xi s 西v e n ，a n da s i m p l ea n de f f e c t i v es n ra n dn o i s ee s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e di nm u l t i - p a t h c h a n n e la tl a s t ，w h i c hc a ng e ta g o o de s t i m a t i o np e r f o r m a n c ew i t has i m p l et r e a t m e n t c h a p t e rf o u ro ft h i st h e s i sf o c u s e so nc h a n n e le s t i m a t i o ni nn o n c o n t i g u o u s o f d m ( n c o f d m ) s y s t e m t h ew o r k f l o wo fn c o f d ms y s t e mw a si n t r o d u c e da t n f i r s t ，f o rt h es u b c a r r i e r so f n c o f d ms y s t e ma l en o n c o n t i g u o u s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f i t sp i l o tp a t t e r n sw a sa n a l y z e d ，am o d i f i e dt r a n s f o r i l ld o m a i nc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h mw a sp r o p o s e d ，b a s e do nl e a s ts q u a r e ( l s ) e s t i m a t i o n ，t h i sa l g o r i t h mc 趾 a c h i e v en o i s er e d u c t i o na n di n t e r p o l a t i o np r o c e s s i n gb yu s i n gs i m p l em a t r i xo p e r a t i o n s ， t h e r e b yi m p r o v i n gt h ee s t i m a t i o np e r f o r m a n c e t h el a s tc h a p t e ri st h ec o n c l u s i o np a r t , a n dw e p o i n t e do u tt h ee x i s t i n gl e g a c yi s s u e sa n df u t u r ew o r k 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 ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，s n r e s t i m a t i o n ，t r a n s f o h nd o m a i n i i i 图目录 图目录 图1 1k i n e p l e x 系统的子载波功率谱3 图1 2s q a m 系统的子载波功率谱3 图1 3o f d m 系统的子载波功率谱4 图3 1o f d m 符号时域波形2 0 图3 2o f d m 系统模型框架2 1 图3 3 常见的几种导频插入图案2 3 图3 4 信道自相关矩阵的分解2 8 图3 5d f t 变换域插值算法示意图 图3 - 6 三种估计算法的m s e 曲线( 城市环境) 3 7 图3 7 三种估计算法的m s e 曲线( 平原开阔地) _ 3 7 图3 8 基于导频l s 估计值的三种插值算法的m s e 曲线3 8 图3 - 9 基于导频变换域估计值的三种插值算法的m s e 曲线3 8 图3 10 三种估计算法下的b e r 曲线( b p s k ) 3 9 图3 。1 l 三种估计算法下的b e r 曲线( q p s k ) 4 0 图3 1 2 两种信道下发送端s n r 估计偏差4 0 图3 1 3 两种信道下接收端s n r 估计偏差4 l 图4 一ln c o f d m 符号内子载波分布4 3 图4 2n c o f d m 系统框图4 4 图4 3n c o f d m 系统的块状导频插入图案4 5 图4 - 4 修正变换域信道估计流程图4 9 图4 5 向量p 、v 的各元素的值 图4 - 6 向量p 、v 的子带元素平均值。5 4 图4 7 两种修正变换域算法各子带的m s e 值 图4 - 8n c o f d m 系统中两种估计算法的m s e 曲线5 6 图4 - 9n c o f d m 系统中两种估计算法的b e r 曲线( b p s k 调制) 。5 6 图4 1 0n c o f d m 系统中两种估计算法的b e r 曲线( q p s k 调制) 5 7 v i 表目录 表目录 表2 - 1 单频网模式下的信道模型( 平原开阔地) 1 7 表2 2 单天线发射下的信道模型( 城市环境) 1 7 表3 1o f d m 系统仿真参数表3 6 表4 1n c o f d m 系统仿真参数表5 5 v 缩略词表 k 瞅g r b e r c f r c t c s i d a b d f t d v b f d f f f t m i i c i ) f t f t i s i l s m l m m s e n c o f d m o f d m p a p r p s a m q o s s a e s n r s q a m w c d m a 缩略词表 a d d i t i v e 删t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e c h a n n e lf r e q u e n c y r e s p o n s e c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d 蟛t a ia u d i ob r o a d c a s t d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d 埴t a lv i d e ob r o a d c a s t f i l t e r e dd e c i s i o nf e e d b a c k f a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l l i n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a m ；f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r n l i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l e a s ts q u a r e m a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r n o n - c o n t i g u o u so f d m 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 p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o p i l o ts y m b o la s s i s t e dm o d u l a t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e s i m p l ea n de f f e c t i v e s i g n a lt on o i s er a t i o 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 em o d u l a t i o n w i d ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v m 加性白高斯噪声 误码率 信道频率响应 信道冲激响应 信道状态信息 数字音频广播 离散傅立叶变换 数字视频广播 滤波器判决反馈 快速傅立叶变换 块间干扰 载波间干扰 反离散傅里叶变换 快速反傅立叶变换 符号间干扰 最小平方估计 最大似然 最小均方误差 非连续o f d m 正交频分复用 峰值平均功率比 导频符号辅助调制 服务质量 简单有效 信噪比 交错正交幅度调制 宽带码分多址 符号表 符号类别 时域变量 时域矩阵或向量 频域变量 频域矩阵或向量 转置 共轭 转置共轭 取实部 将向量对角化成对角矩阵 求均值 阶单位矩阵 矢量循环卷积 符号表 i x 字体和说明 小写斜体 小写粗体 大写斜体 大写粗体 剃a a 4 a吲刖k唧 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盔墨型) 日期：刎口年6 月f 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 左垦塑! )导师签名： 日期：刎哞月1 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今社会已进入了信息爆炸的时代，在各种各样的信息技术中，通信起着至 关重要的作用，由于通信在人类社会生活中发挥的作用越来越大，于是各国的研 究者都加快了对通信技术研究与开发的步伐，并致力于通信网的建设。移动通信 是一门全新的通信技术，不但融合了现代通信领域的最新研究成果，而且还包括 了许多计算机和网络技术方面的新成就。目前，人们在追求任何人在任何地点可 以用任何通信方式相互通信这个目标的同时，对速度和质量的要求也不断提高， 所以尽管移动通信己从模拟通信发展到数字通信阶段，但这远远不够，个人通信 将是通信发展的更高阶段。 当前，无线和移动通信正处于飞速发展的重要阶段。无线业务的传输速率在 飞速提高，有些业务的传输率甚至可以达到几十兆比特每秒，然而在服务质量 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 方面，与以光纤通信为代表的有线通信方式相比，无线 通信技术的发展还比较落后。在移动通信方面，用户不但要求数据传输率的不断 提高，同时还要求无线业务尽可能多样化，除了传统的话音业务外，人们期望能 以较低的价格获取较高速率的多媒体业务，另外第二代蜂窝移动通信系统因其较 低的频谱利用率使得有限的频谱资源不断趋于紧张，因此这些问题和需求迫切需 要新型无线通信技术的诞生及应用，以w c d m a ( w i d ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，宽带码分多址) 为技术核心的第三代移动通信系统便在这种背景下应运而 生。凭借智能信号处理技术，第三代通信系统可以实现以语音业务为主的多媒体 数据通信，并已逐渐在全球范围内进入应用。与此同时，人们正在对b 3 g ( b e y o n d 3 0 ) 系统和3 g 长期演进技术投入更多的研发精力，期望新技术能够提供更高的数 据传输率、更高的服务质量，进而不断满足市场和用户日益增长的需求。 近几年来，无线数据和移动i n t e r n e t 业务需求的持续增长，使得如何实现支持 分组业务并具有高频谱利用率的高速数据传输成为我们目前最需要解决的关键问 题【l 】。正交频分复用( 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 ) 技术因其 具有极高的频谱效率和良好的抗多径干扰能力，日益受到人们的广泛重视，目前 o f d m 技术已经广泛运用于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 ，d a b ) 电子科技大学硕士学位论文 和数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ，d v b ) ，并逐渐扩大到i e e e8 0 2 1 l a g 、 h i g p e r l a n 2 、i e e e8 0 2 1 6m a n 中。广泛的应用使o f d m 技术成了近1 0 年无线通 信领域的一个研究热点，并且随着o f d m 被b 3 g 和4 g 系统列为备选物理层标准 【2 】【3 1 ，对其的研究热度将有增无减。 1 2 研究背景及意义 1 2 1o f d m 技术简介 o f d m 技术由多载波调制技术发展而来，既是一种调制技术又是一种复用技 术。2 0 世纪5 0 6 0 年代美国军方便率先创建了有史以来的第一个多载波调制系统， 到了1 9 7 0 年，此系统便衍生出多载波频率重叠复用的o f d m 系统。然而在o f d m 系统应用到实际的过程中，由于傅立叶变换器件的复杂度非常高，加上受发射机 和接收机振荡器的稳定性、射频功率放大器的线性要求等因素的制约，这一迈向 实践的发展步伐变得缓慢起来。至到2 0 世纪8 0 年代，由于大规模集成电路的出 现，f f t 技术的快速简便实现得到了促进发展，多载波调制技术才获得了突破性 的进展，o f d m 也逐步进入了数字移动通信的领域。 在对数据进行并行传输的过程中，多载波调制技术经历了三种频带划分阶段， 这三个阶段是按发射信号功率谱之间重叠的程度逐步演进的。由此我们可以得到 区别这些划分方法的最显著特征，即各个子载波的功率谱之间是否存在重叠以及 重叠的程度。 第一种划分方法以c o l l i n sk i n e p l x e19 5 7 年提出的高速并行数据传输系统为代 表【4 】，将系统占用的整个频带分为若干个子载波，这些子载波的功率谱之间完全独 立，互不重叠，如图1 1 所示。这种划分方法由传统的频分复用技术发展而来，按 照要求，为了消除或减小子载波间干扰，在频域上各子载波之间还应保留一定宽 度的保护间隔，但是保护间隔的存在却一定程度上限制了系统频谱利用率的提高。 第二种划分方法中子载波采用了交错正交幅度调带l j ( s t a g g e r e dq u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n , s q a m ) 技术，相邻子载波上的信号功率谱在3 d b 处发生交 叠，系统的频谱利用率较第一种方法提高一倍，如图1 2 所示。我们可以通过正交 通道上发射数据的半个符号周期来区别各个子载波的发射信号，从而保证在接收 端，能够独立恢复出各子载波上的数据信剧5 1 。 2 第一章绪论 图1 - 1k i n e p l e x 系统的子载波功率谱 图1 - 2s q a m 系统的子载波功率谱 为了进一步提高系统频谱利用率，正交频分复用的多载波传输系统( o f d m ) 在 2 0 世纪6 0 年代被提出，在这种系统中，每个子载波的功率谱均为s i n e 函数，由系 统的矩形窗形成，功率谱之间非常紧凑地相互重叠，并且是目前技术所能达到的 最大重叠程度，如图1 3 所示，由于子载波的频谱间隔是能够满足各子载波之间保 持正交性的最小间隔，所以这种划分方法极大地提高了系统的频谱利用率。 3 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 3o f d m 系统的子载波功率谱 近几年来，人们对o f d m 技术倾注了越来越多的关注，并将其列为b 3 g 和 4 g 系统的物理层备选技术，这主要是因为o f d m 不仅具有较高的频谱利用率、容 易实现调制解调，还具有如下众多优点【2 】 5 】 6 】： ( 1 ) 抗多径效应和频率选择性衰落能力强。o f d m 系统通过串并转换把高速数 据流分散到正交子载波上传输，这样每个子载波上的数据符号周期变长，从而有 效地减小由于多径时延所引起的符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ：i s i ) ，这可以 大大简化接收端均衡器的复杂度。 ( 2 ) 满足无线业务的非对称性要求。无线数据业务一般都是不对称的，比如说， 下行链路的数据传输量要远远大于上行链路的传输量。因此，不管从用户数据业 务的角度，还是从无线通信系统自身的角度考虑，我们都希望物理层支持不对称 的数据传输，恰恰o f d m 系统能通过在上行和下行链路中设置不同的子载波数目 很容易地实现不对称的传输速率。 ( 3 ) 采用动态子载波分配技术提高系统性能。根据子载波衰落情况不同，一方 面可通过动态比特和子信道分配的方法，在保证系统性能的前提下最大限度地提 高数据传输率；另一方面可以利用频率分集技术，借助信道编码用高信噪比子信 道上的传输数据恢复低信噪比子信道的传输数据。 ( 4 ) 便于同其它多址接入技术组合构成o f d m a 系统，这样多个用户便可以同 时利用o f d m 技术进行数据传输。 4 第一章绪论 但是在时域中，o f d m 信号由多个子信道信号叠加而成，所以与单载波调制 系统相比，o f d m 系统同样也具有以下若干缺点，还需要进一步研究和解决： ( 1 ) 易受频率偏差的影响。o f d m 系统的子载波频谱相互交叠对子载波之间的 正交性提出了非常苛刻的要求，但是由于无线信道的时变性，信号在传输过程中 会出现多普勒频移等频偏现象【5 】【7 】，另外发射端和接收端振荡器之间的频率偏差也 会破坏o f d m 系统子载波之间的正交性，从而产生子载波间干扰( i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，i c i ) ，恶化系统性能【2 】【5 】。 ( 2 ) 存在较高的峰均比。由于o f d m 信号由多个子载波信号叠加而成，系统输 出将出现较大的峰值平均功率比( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) ，这对发射机 功率放大器提出了很高的度量要求，如果其动态范围不足于承受信号变化，则信 号波形将发生畸变，这将破坏各子载波间的正交性，从而产生子载波间干扰和带 外辐射【2 】【5 1 。 ( 3 ) 高精度的信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 估计问题。在无线通 信中，接收端所处的环境是无法预知的，所以c s i 是随时间变化的未知信息，接 收端只有凭借信道估计才能获得精度比较高的c s i 估计。在高密度星座点的o f d m 系统中，其性能受c s i 估计精度的影响较大【8 】，因此在尽量简化信道估计算法的前 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 ) 是本文研究的一个重 点。 1 2 2o f d m 技术应用到无线通信中的意义 在宽带数字通信中，发射信号的带宽大于信道相干带宽，信号将经历频率选 择性衰落，对于单载波调制方式，在接收端，如果没有采取均衡措施以消除频率 选择性衰落的影响，则系统性能将严重恶化，甚至失去最基本的通信能力，而如 果采取均衡措施，在复杂度和性能之间，我们又很难找到合适的均衡方法进行良 好的折衷【_ 7 】【9 】。同时，单载波调制方式很难对发射信号经历不同衰落的频率分量进 行频率分集以获得分集增益。另外系统的传输速率和多径时延决定了发射信号是 否在时域产生i s i 、在频域经历频率选择性衰涔7 】，因此如何合理地设计无线通信 系统，以减小无线信道对发射信号产生的失真影响是值得我们认真思考的一个问 题。为此，研究人员提出了与单载波调制方式相对应的多载波调制方式，这可以 使信道均衡能够在频域简单处理，大大简化了均衡复杂度，另外对于单载波调制 的信道均衡，研究人员曾提出将数据分成长度相等的块进行传输，这样就可以在 5 电子科技大学硕士学位论文 各个信息块之间加入一定长度的冗余以消除多径时延扩展所引起的块与块之间的 干扰( i n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e ，m n ，这种巧妙的数据块冗余设计也能将信道均衡放 在频域简单处理，从而避免了复杂的反卷积时域处理，简化了均衡器。 上面讲了多载波传输方式与分块传输方式的一些优点，而o f d m 技术恰恰是 这两种技术的良好结合体，这种结合也使得o f d m 技术衍生出更大的性能优势， 比如，在抑制时延扩展引起的频率选择性衰落的方面，另外，同传统时域均衡的 单载波传输方式以及频域均衡的分块单载波传输方式相比，在系统的数据传输速 率和性能方面，o f d m 技术也均具有无可比拟的优判【2 儿5 】；不仅如此，即使同传 统多载波调制方式相比，o f d m 在频谱利用率方面也有很大优势。正是由于这些 优势，我们将o f d m 技术应用到无线通信中，对改善我们的通信质量进而生活质 量具有不一般的意义。 1 2 3o f d m 系统中信道估计的意义 无线通信主要以电磁波为传输媒介，电磁波主要在空气等介质中传播，我们 将电磁波赖以传输的传播环境称为无线信道，而无线信道又是制约和影响o f d m 系统性能的主要因素。由于无线通信的传播路径非常复杂，变幻无常，难于预测， 发射信号在传播过程中将经过若干次反射、折射、散射和衍射，而这些多样的传 播方式将产生阴影效应、多径效应和多普勒效应，从而引起了不同的衰落和扩展， 另外还可能受一些未知干扰的影响等，所有这些因素都必然对发射信号的正确接 收产生不良的影响。所以要想提高无线传输的质量和效率，必须首先分析无线信 道的特性，对其进行全面的估计。 由于无线传输环境的千变万化，信道的冲击响应和频率响应都是随时间在不 断变化的；而多径效应将引起频域选择性衰落，不同的子载波将经历不一样的衰 落表现，这将导致o f d m 系统各个子载波上的数据出现不均匀的畸变，这时为了 减小多径效应和频率选择性衰落对系统性能的影响，必须进行信道估计，除非系 统采用差分调制方式。然而为了追求更高速率的数据传输，我们不得不采用更高 阶的多幅度或者多相位调制方式( 如1 6 q a m 、6 4 q a m 等) ，这时利用信道估计跟踪 信道响应的变化就变得非常必要。信道估计的目的就是通过估计信道响应，对接 收到数据进行校正和恢复以获得相干检测的性能增益【9 】。 另外，信道估计还可以为o f d m 系统的比特分配和功率分配、最大比分集合 并及多用户检测提供所需的信道信息，还在m i m o 系统的预编码和波束成型等技 6 第一章绪论 术中发挥重要作用。 总之，信道估计技术是o f d m 技术中的一项关键技术，是o f d m 系统中一个 非常重要的角色。 1 3o f d m 系统中的信道估计研究现状分析 时至今日，对o f d m 系统的信道估计的研究已经相当成熟，根据在时域、在 频域实现的方法不同，可以分为时域信道估计算法和频域估计信道算法两大类。 根据信道估计是否具有反馈环路、是否采用已知信息分为3 类：基于判决反馈的 信道估计方法、盲或半盲信道估计方法及基于导频辅助的信道估计方法。 1 3 1 基于判决反馈的信道估计 在判决反馈的o f d m 系统中，假定在两个o f d m 信息符号的时间间隔内，信 道是不变的，系统首先发送一个接收端已知的o f d m 训练序列符号，以获取信道 状态信息( c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n ，c s d 的初始值，然后在数据传输过程中使用 o f d m 信息符号解码后的数据作为训练序列来获得c s i 的估计值【l o 】【l l 】。目前，基 于判决反馈信道估计的方法主要有：利用低通滤波器滤波降噪的滤波器判决反馈 ( f i l t e r e dd e c i s i o nf e e d b a c k ，f d f ) 信道估计方法【l 卫、利用最小均方误差准则的判决 反馈信道估计方法【l3 1 、基于直接判决预测均衡的方法、利用前一个o f d m 码字解 码后的数据获得信道估计方法【1 4 】、采用奇异值分解的信道估计算法【1 5 】、为提高频 谱的利用率采用步抽头反馈均衡的信道估计算法。 尽管基于判决反馈信道估计方法在传输数据中不需要导频符号，提高了系统 的传输效率，然而当信道出现突发错误时，容易产生误差扩散，进而造成系统性 能降低，甚至使系统瘫痪，只有等到新的训练符号到达才能重新工作，这给实时 通信带来了极大的不便，同时由于存在反馈，系统没法做到快速实现。 1 3 2 盲或半盲信道估计 近年来，盲信道估计方法因其不需要辅助数据，不会降低有效数据率得到了 很大的发展，它只利用接收信号的特性来完成信道估计，如数字信号的常模量、 有限符号集、循环平稳、非高斯分布等特性，目前比较实用的方法有三大类，即 子空间分析法( 有信号子空间、噪声子空间、线性预测分析等子类) 、常模量算法和 7 电子科技大学硕士学位论文 最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 估计法【1 6 】【1 7 】。文献 1 8 提出了基于输入数据循 环平稳性的盲信道估计算法，这种算法通过发射机诱导或分数间隔采样或天线阵 列方式来获得系统中盲信道估计算法所用的循环平稳性。然而在o f d m 系统中， 可以通过插入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，使得输入信号具有循环平稳性，这样 就可以直接用输出序列的循环平稳性进行信道估计。 通过结合发送训练序列的估计方法和盲信道估计方法，我们可以得到半盲估 计方法【1 9 】【2 0 1 ，它是两种方法之间的折衷，也就是说既使用有限的训练序列又使用 盲估计的算法，这样就可以在比较快的收敛速度下保障比较好的性能。 信道盲估计和半盲估计都是比较好的信道估计方法，它们都比较显著的提高 了信道利用率，特别是在高速数字信道中有更好的效果。但是其需要比较大的运 算量、收敛速度慢或陷入局部极小、对噪声较敏感等缺点在一定程度上限制了它 们的实用性，并且其估计性能也没有传统的采用先验知识进行估计的方法性能好， 这些都需要不断改进。 1 3 3 基于导频辅助的信道估计 基于导频辅助的信道估计通过估计混合在发送数据中的导频数据的信道响 应，然后用一些插值算法拟合出数据处的信道响应。根据导频的分布情况，可以 分为一维和二维导频，规律放置和随机放置导频之分。一维导频又分为梳妆导频 和块状导频，梳状导频信道估计又称频域信道估计，指的是在每一个o f d m 符号 的个别子载波上插入导频，主要应用于快衰落信道；块状导频信道估计又称时域 信道估计，采用以一定的周期在o f d m 的全部子载波上插入导频来实现，主要用 于慢衰落信道。二维导频则在时间和频率两个方向同时插入导频符号，又分为矩 形导频图案和分散导频图案两种。 对于导频位置处的信道估计已经相当成熟，文献 2 1 基于测量值和模型值之间 加权误差最小的原则提出了l s 算法，基于信道的二阶统计特性，文献 2 2 2 3 2 4 】 提出了l m m s e 算法，在c i r 长度远远小于子载波的数目的情况下，文献 2 5 通过 对信道频域自相关矩阵进行s v r 分解大大简化了l m m s e 算法的计算量，文献 2 6 】 2 7 2 8 】则提出了基于傅立叶变换( f f t ) 的变换域方法，通过滤去c i r 长度之外 的噪声和干扰达到较为理想的估计效果，文献 2 9 贝3 j 提出了基于d c t 变换的的变 换域算法，这种方法在信道冲激响应( c m ) 抽头间隔是分数倍采样周期时，较基于 f f t 变换的变换域方法有更好的估计性能；对于频率选择性信道，文献【3 0 】通过分 8 第章绪论 块计算相干带宽内的子信道频率自相关矩阵来简化l m m s e 算法。 但l m m s e 算法需要知道信道二阶统计特性，这在实际中很难获得，如果不 用信道的统计信息，那么其性能会退化到l s 算法的性能，因此较为准确的信道二 阶统计特性的估计方法也需要不断发展，为此本文提出了一种简单有效的估计噪 声方差的方法，而文献 2 6 2 9 1 提出的变换域方法也有一定的局限性，在n c o f d m 系统中，无法获得所有子载波的信道信息，因此变换域算法失效，为此针对 n c o f d m 系统本文提出了一种修正的变换域算法。 1 4 本文主要工作和贡献 通过研究背景的介绍，我们了解到信道估计在o f d m 系统中的重要作用和意 义；通过研究现状的分析，我们认识到现有信道估计的一些问题和不足，本文的 主要工作就是以o f d m 系统现有的大量信道估计算法为研究基础，通过理论分析 和计算机仿真比较，找出当前算法存在的问题和需改进之处，提出解决方案，甚 至提出相对更有效的算法，为此把本文的主要研究工作和贡献总结如下： ( 1 ) 通过对无线o f d m 信道分析，了解无线信道的衰落特性，进而利用 m a t l a b 实现信道估计算法仿真所用的d v b 信道模型，研究和比较现有 的大量信道估计算法。 ( 2 ) 针对估计性能较好的m m s e 信道估计算法，需要利用较准确的信道和噪 声二阶统计特性信息，为此，本文通过研究现有s n r 估计算法，给出了 瑞利衰落信道下一种简单有效的s n r 和噪声估计算法，该算法利用多径 信道能量集中在前若干径的特性，凭借简单的处理能够获得良好的估计性 能。 ( 3 ) 针对n c o f d m 系统子载波不连续的特点，提出了一种修正变换域信道估 计算法，该算法以l s 估计为基础，凭借规模不大的矩阵运算实现变换域 降噪，从而可以以较低的复杂度获得较好的估计性能，解决了传统变换域 算法不适合n c o f d m 系统的问题。 1 5 论文内容与结构安排 本文主要着眼于信道估计技术的研究，共包括两大部分，即o f d m 系统和 n c o f d m 系统的信道估计算法研究，另外还对s n r 估计算法进行了深入探讨， 9 电子科技大学硕士学