（通信与信息系统专业论文）ofdm无线通信系统的信道估计的研究.pdf

0 f d m 无线通信系统的信道 弃计的研究 o f d m 无线通信系统翡信道估计囊孽研究 摘要 未来无线移动遥信系统懿蠢标是实谶随时无缝豹嵩质量、高速率酶 移动多媒体和数掇业务传输。但是无线环境中存在的多径等特性造成 系统严重的符号间干扰，同时无线移动信道的时变性使得接收机对信 道特性的准确跟踪变的刚难。o f d m 能有效地抗多径衰落，具有非常 高斡频带剩溺率，适于宽带移动逶信，o f d m 是下代移动通信系统 中实现高速移动通信的最有翦途的技术。 但是0 f d m 技术还有一些关键问题需要解决，如信道估计、峰平 功率比、信道编码等。本文主要研究0 f d m 中的信道估计技术。0 f d m 系统中一般采鼹褐于解满，o f d m 子载波上盼数掭麓菜种p s k 或者 q a m 调划，为了在接收端解调毖这些数据，嚣要髅道估计来纠正出频 率选择性衰落和子载波频率偏移产生的随机的相位偏移和幅度衰落， 否则系统的b e r 性能很难达到实用要求。 本文首先分析了无线信遭并建立了无线o f d m 系统信遂模墼，然 爱爝述了0 f d m 系统基本原理，覆后豢重硬究了o f d m 信道 古诗技寒。 信道估计方法大致可分为基于母频( 训练序列) 的信道估计和盲信道 估计。文中研究了l s 、l m m s e 和采用插值的基于导频的信道估计方 法，分剐进行了计算丰凡仿真帮性能眈较，提出了一种基于导频酶 o f d m 无线通偿系统的倍遵估计的研究 r o b u s t 信道估计算法，并对这种算法进行了计算机仿真和性能分析， 最后分别对这三种信道估计算法作了性能比较，指出r o b u s t 的信道 估计冀法是性醚最优的镀计算法。 关键词：正交频分复用、多径衰落信道、信道估计、r o b u s t o f d m 无线通信系统的倍道估计的研究 c h a n n e le s t i m a t l o na l g o l u t h m sf o r w i r e l e s ss y s t e m su s i n go f d m a b s t r a c t t h ef u t u r e g e n e r a t i o n w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r e e x p e c t e d t o p r o v i d eu b i q u i t o u s ，h i g h q u a l i t y ，a n dh i g h - r a t e m o b i l e m u l t i m e d i at r a n s m i s s i o n h o w e v e r , m u l t i p a t hf a d i n gr a d i oc o n d i t i o n sg i v e r i s et os e r i o u s 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 ) ；e v e n w o r s e ，w i r e l e s s c h a n n e l sa r eo f t e nt i m ev a r y i n g ，w h i c hm a k e st h es y s t e mm o r ev u l n e r a b l e a n dm o r ed i 髓c u l tt ot r a c kt h ec h a n n e ls t a t e 0 f d mi s a ne f f e c t i v e t e c h n i q u e f o rc o m b a t i n gm u l t i p a t hf a d i n g ，f o rh i g h b i t r a t et r a n s m i s s i o n a n df o r h i g h b a n d w i d t h e f f i c i e n c y o 娃h o g o n a l 蠹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 m o d u l a t i o ni sa p r o m i s i n gt e c h n i q u ei n4 g b u tt h e r ea r es o m ep r o b l e m st ob es o l v e di no f d m t e c h n i q u e ，i e c h a n n e le s t i m a t i o n ，p e a k t o a v e r a g ep o w e rp r o b l e m ，a n dc h a n n e lc o d i n g i ng e n e r a l ，c o h e r e n td e t e c t i o no fs o m ef o r mo f p h a s e s h i f tk e y i n g ( p s k ) o r 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 ) i s u s e d c h a n n e le s t i m a t i o n o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 t e c h n i q u e s a r e a d o p t e d t oc o r r e c tt h e s er a n d o m p h a s e a n d a m p l i t u d e v a r i a t i o n sc a u s e db yf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n dc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t t oa c h i e v ed e s i r e dp e r f o r m a n c e i nt h i s t h e s i s ，i f i r s td e s c r i b e dr a d i oc h a n n e la n de s t a b l i s h e dt h e c h a n n e lm o d e l s ia n a l y z e dt h ee l e m e n t a r yp r i n c i p l e s o fo f d m ，a n d e s p e c i a l l yi n v e s t i g a t e dt h eo f d m c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d s ，t h e r ea r e t w ok i n d so fc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d si ng e n e r a l ：p i l o t - s y m b o l - * a i d e d c h a n n e le s t i m a t i o na n db l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nf o ro f d m ii n v e s t i g a t e d p i l o t - s y m b o l a i d e d c h a n n e le s t i m a t i o n ：l s 、m m s ea n d i n t e r p o l a t i o n m e t h o d ie v a l u a t e dt h ee s t i m a t o r sb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n ar o b u s t e s t i m a t o ri s p u tf o r w a r d ，i a l s oe v a l u a t e dt h ee s t i m a t o r s b yc o m p u t e r s i m u l a t i o n 。a tl a s tid e e p l yc o m p a r et h et h r e ek i n do fe s t i m a t o r sa n dp o i n t o u tt h er o b u s te s t i m a t o ri st h eb e s to n e k e yw o r d s ：o f d m ，m u l t i p a t hf a d i n g c h a n n e l ，c h a n n e le s t i m a t i o n ， r o b u s t y s 8 7 3 s ， 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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，也不包含为获得北京邮电大学或其他教 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的任何 贡献均已在论文中作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 本人签名：抽宣 本人承担一切相关责任。 日期：型丝三：兰生 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论 o f d m 无线通信系统的傣道估计的研究 第一耄引言 现代柱会蠢步入蘩怠对代，在各稀信意按笨中，信怠静传输郢通信超着支撑 作用。由于人类社会生活对通信的需求越来越离，世界各国都在致力于现代通信 技术的研究与开发以及现代通信鞠的建设。 移动通信楚现代通信系统中不可缺少的组成部分，现代移动通信是一门复杂 瓣高新技术，不毽集中了无线遴信帮裔线通信静最薪毅术成裁，露显簇中了嘲络 技术和计算机技术的许多成果。目前，移动通信已从模拟通倍发展到了数字移动 逶信除段，并量正赣蓉个人逶镶这一鬟嵩级阶羧发震。未来移动逶藩翡嚣标怒， 能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。 本章首先在奔缨了无线移动逶蕊发展的概况，蒸霰在讨论了o f d m 技术瓣演 化过程及其应用，最后给出了本论文的章节内容安排。 。1 无线移动递售发展的摄凝 1 9 7 8 年底，美国贝尔实验定研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂 窝状模拟移动通信网，大大提菇了系统容量。与此同时，其它发达国家也相继开 发出蜂窝式公用移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统， 并在世界各地迅速发展。移动通信得到迅猛发展的原因，除了用户要求迅速增加 这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。首先，徽电子技术在 这一时期得到迅速发展，使得通信设备能够实现小型化、微型化。其次，提出并 且形成了移动通信新体制，郎受尔实验塞在7 0 年代提蹬的蜂窝网的概念。蜂窝网， 即所谓的小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。第三方面进展是 随着大援模集成电路的发展两出现的徽处理器技术目趋成熟以及计算瓶技术的迅 猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。这一阶段所诞生的移 动通信系统一般被当俸是第一代移动透信系统。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝 模拟网鹃容量已不髓满足目盏增长静移动髑户的需求。8 e 年代中赣，欧澜首先推 o f d m 无线通信系统的信道估计的讲究 出了全球移动通信系统( g s m ) 。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通 偿钵铡。2 0 世纪9 0 年代初，美嚣q u a l c o m m 公镯接出了窄带码分多赵( c d m a ) 蜂窝移动通信聚统，这怒移动通信系统中具有黧要意义的事件。从此，码分多址 这琴孛毅黪无线接入技术敬移动通信领域占有了越来越重要的地位。这些墨前正在 广泛使用的数字移动通信系统怒第二代移动通信系统。 第二代移动通信系统主要题为支持活音和低速率的数据业努两设计的。但随 着人们对通信业务范围和业务遥率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将 缀难满足新的业务需求。第三代移动通信系统能够提供无线t n l e r n e t 业务和多媒体 业务，i t u 通过的3 种主流无线传输方案有欧洲和日本提出的w c d m a 、北美提 出豹c d m a 2 0 0 0 秘中国的t d s c d m a 。i n t e m e t 业务的网益普及，促使移动通信技 术向全i p 方向发展f l 】。目前3 g p p 和3 g p p 2 等标准纯缀织制定了基于全i p 静第 三代移动通信增强型体制标准。比如3 g p p 2 提出了能够支持高速分组业务( 峰值 速率为4 至5 m b p s ) 的c d m a 2 0 0 0 1 x ，e v 标准，3 g p p 也箭定了称为h s p d a 斡增 强性第三代移动通信标准，其分组业务峰值传输速率达到8 m b p s 以上。【2 e 3 在燕带业务需求不断增长的情况下，无线佟输 乍为个人通信的重蘩手段，箕 矛盾显得十分突出。尽篱第三代移动通信系统( 3 g ) 能提供m b p s 量缴的传输速 率，但与宽带韭务的发震需求穗汜还鞠差葚远，远远不能满足未来个久逶信熬要 求。具有高数据率、高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支撑能力的未来无线 移动通信系统( _ 幸g ) 可将无线通信的佼输容量鞠速率溅赢嵇甚至数吾倍。嗣时 根据各种接入技术的特点，构建分层的无缝隙全覆盖熬合系统，形成“通用无线 电环境”，并实瑷各系统之阈的互逯，将是逶往来来无线与移动逶信系统瓣必然途 径。【4 - 6 】 由于最初的t c p i p 等溺终协议是针对差罐率稷低豹有线遮鼹提出来粒【7 】，为 了提供商速移动接入业务，需要对无线通信系统的网络层、数据链路层以及物理 堪热戬修改，後其更热逶爱予来来毫逡无线蜂窝毽特嘲。国内岁 诲多学者在这方 面的研究大都局限于网络体系结构的某一个层面孤立她进行。c i m i n i 等人的研究 仅限于甥理爱懿o f d m 和m a c 层豹动态分缀分配【8 一1 1 】，c h o c k a l i n g a m 等人蜘研 究则主凝集中于无线镳路协议( r l p ) 及t c p 层 1 2 - 1 6 。他们都没有对多个滕面 逛芎亍全鞭匏整馋性的考虑，最终很可能导致上下层协议的相互抵触，从而降低通 信系统的效率。 基予此，我们实验室综合考虑物联层、m a c 层、r l p 和t c p 层，希望提出 一个完熬的基于o f d m 的高遮蜂窝因特阏系统体系结构的框架，这一研究谦题已 获得国家自然摹斗学基金的立项资助【1 7 】，研究工作正在进行之中。考虑到有线链路 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 和无线链路传输特性的差异，预期建立的系统框架应当突破传统开放系统互连 ( o s i ) 体系结构中各层之间的独立性，通过在物理层、数据链路层和传输层之间 传递控制信息进行联合优化，从而更好地适用于无线多媒体业务的传输，最大限 度地利用无线网络资源，以提高系统的整体性能。由于o f d m 技术己被公认为是 未来的第四代移动通信系统最可能采用的传输方式，并且我们提出的联合优化策 略的目的是提高性能和传输速率，因此这一体系结构符合第四代移动通信系统的 发展方向和要求。本论文的工作也是在这一课题中进行的，主要针对该体系结构 中物理层的信道模型以及信道估计的关键技术进行研究。 1 2o f d m 演进与应用 o f d m 本质上是一种频分复用技术。频分复用( f d m ) 技术早在一个世纪以前 就被提出，它把可用带宽分成若干相互隔离的子频带同时分别传送一路低速信号 ( 如电报) ，从而达到信号复用的目的。各予载波上的被调制数据可以来自同一信 号源，也可以来自不同信号源。这种传统的多载波传输方式复杂性比较高，因为 各子载波都需要自己的模拟前端，同时为了使得接收机可以区分各子频带，各子 频带之间必须有足够的间隔，从而避免经过信道后发生频谱混叠，所以频谱效率 通常很低。但是在这种并行传输机制下，因为各载波上的数据速率较低，相应的 信号的码元符号周期较长并远大于信道的最大时延扩展，从而可以有效地减小由 于信道单位时延扩展引起的符号间干扰问题。 为了提高f d m 技术的频谱利用率，g a d o e l z 等 1 8 在五十年代提出了 k i n e p l e x 系统。该系统的设计目标是在严重多径衰落高频无线信道中实现数据传 输。系统使用了2 0 个子载波，使用差分q p s k 调制，且实现方式几乎和现代的 o f d m 一样：其相邻子载波间的间隔近似等于子载波的符号速率，从而保证各 子载波的频谱互相重叠，但又是正交的，于是可以大大地提高频谱利用率。但系 统仍采用了传统的多载波调制系统实现方式。随后的多载波系统 1 9 2 0 l j d ! , 是利用 类似的技术提高谱利用率。 以上系统中的子载波频谱没有经过滤波，各子载波频谱形状均为s i n ( ) f 函数 形式。为了限制系统频谱，r w c h a n g 等分析了多载波通信系统中如何使经过滤 波、带限的子载波保持正交 2 1 2 3 1 。随后s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 提出了使用 离散傅立叶变换( d ft ，d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 实现多载波的基带调制和解调 o f d m 无线通储系统的信道估计的研究 【2 4 】，这样便不再对每个子载波都使用模拟前端，从而大大地降低了多载波系统的 复杂廑，为o f d m 豹演遴镦窭艇大熬灵簸。另辩，w e i n s t e i n 等【2 4 】提感了通过糖 入一段空白区作为保护间隔来消除符号间干扰( i s i ) ，假这种办法不能保证信号经 过色教麓遒后各予载波仍然保持_ 芷交。为姥，a p e l e d 粒a 。r u i z 提出了采用讴琢 前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 的方法保证了信号经过饿散信邋后仍然傈持各子载波间的 正交性 2 5 1 。至j 墩，现代o f d d 的壤念便形成了。弼时，c i m i n i 2 6 把o f d m 的概念 引入蜂窝移动通信系统，为当代无线o f d m 系统的发展奠定了基础。 0 f d m 技术县有良好的抗多径能力，从丽受到大量关注。麒前o f d m 作为核 心技术融被多种有线和j l j 线接入标准采纳：1 ) a d s l ，被广泛用于提高锕双绞电缆 用户的接入能力；2 ) 在光线接入领域的t e e e 8 0 2 1 l aw l a n 、h i g h p e r f o r m a n c e l a n t y p e2 ( h i p e r l a n 2 ) 及欧洲数字音频广播( d a b ，d i g i t a lb r o a d c a s t ) 以及欧 洲数字视频广搔( d v b ，d 遮i t a l v i d e o b r o a d c a s t ) 等等 2 4 2 8 1 。同时，o f d m 除了作 为一种传输技术外，还w 以进行多用户接入。 正因为o f d m 潜在的多径对抗能力，旦可以灵活地和其他接入方式结合成衍 生系统，所以o f d m 已被列入3 g 敷厨无线遥信系统的可能解决方案，而受到众 多五丹究者的广泛关注。 1 3 论文内容爱藉 第章主要是叙述了无线移动通信的发展历史、o f d m 通信系统的演进以及 本论文豁结构。 第二章概述了o f d m 通信系统的无线信道，讨论了它对o f d m 通信系统的影 旗，并纶出了本论文瑟爝靛羡遴以及偿遴豹参数。 第三章主要讨论了o f d m 传输系统的基本原理，介绍了o f d m 的时域系统模 型和凝域系统模型，讨论了饕理想信道髂计对o f d m 系统整体性能带来的影响。 并且在本章的末尾简要的提出了o f d m 传输系统的信道估计。 第滔章讨论了o f d m 系绞抟信道 鑫计闽题。这牵首先绘出了o f d m 的信 道估计模型和导频图案，然后凝体的讨论了o f d m 通信系统中的几种信道估计模 型，劳对其几葶孛信道馈计模型终了详缨鲍比较，指出了一静娩能比较忱的一种信 道估计模型，并对其进行了详细的研究和分析。 o f d mn 笼线通信蒜统的信道倍计的研究 2 1 引言 第二章o f d m 通信系统弗豹无线信遴 与考线信惠黪辕稳跷，无线镶遘中的售号黄浚瑟经历夔蓼境溪复杂褥多，萁 传输过程受到发送机和接收机间的复杂地形、移动物体和空气温度湿度以及它们 载变化特魏缒影蛹，呈瑗诲多不稳定的传输损终。售号程无线发瓣辊寒接收规阂 的信道环境下的传播过程w 能经历的传播机制包括直射( l o sl i n e - o f - s i g h t ) 、反 射( r e f l e c t i o n ) 、街掰( d i f f r a e f i o n ) n 数射( s e a 蕊e f i n g ) ，瑟且幽于信遴本身的隧掇性， 各机制在传输中的地位也是随机的，这就是无线信道远比有线倍道的传输环境恶 劣豹主要暇霆。袁线传竣弼境遇鬻是静态 f m 。时，则可以克服i s i 的影响。为了保证子载波的正交性，o f d m 符号 间的保护间隔是循环前缀，即将每个o f d m 符号后珐个时间的样点复制到该符 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 号的前面，此时o f d m 符号的时间长度相当于i = 死+ r 刊射州麟熬da(16qam) 叫信号映射hs 胛崮插导频罔甲离茎塞罔邮 i 岗崩崩侧桶吲 l儿l_l_j l 一 一 t 厂焉蔷、 rrrnrr rr ：- 一 2 喾擞! 解信号畦高利用信道矧目击掉=l ! 图3 - 5 一个典型的o f d m 系统结构 3 6 非理想信道估计对o f d m 系统性能的影响 这里假定o f d m 系统采用相干检测，则信遭估计则是必币司少的。从频域 来看，这些参数就是信道的频率响应 王璐 ，不妨设信道估计的误差是一加性零 均值高斯白噪声随机变量群，即第1 个符号的第个频点处的信道估计挪为 国= 研+ 璐( 3 9 ) 误差平均功率( m s e ，均方差) 为盯；。在最大似然检测下，发送信号船的估计为 密= 豢“船+ 等+ 筹弼 c s 邶， 其中群与孵相互独立，娶鄙代表了因信道估计不理想在螂的估计中引入的额 其中群与孵相互独立，告鄙代表了因信道估计不理想在螂的估计中引入的额 外噪声，在z ：和硎都能量归一化的条件下，系统噪声的方差为 其中g 。为信道估计器的增益系数。于是由于信道估计误差造成的系统信噪比损 ”隆 儿一 上船 + ，、 l | 懈上踟 眯 = = 而 西 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 失为 娥。：1 0 1 0 瓢萼：1 0 l o g j 0 盐望( 3 - 1 2 ) o - g h 基3 - 6 给出了信道链计误差给系统售噪比带来的影响照线，从中可隧看出随着信 道估计器性能的改善( 增盏系数g 。增大) ，系统信噪比损失会随之减少，但蕻改善 效莱是非线往静：在低g 。辩，豁谶。下蹲禳诀，在大的增益系数g 。时改善荠 不明显。而且我们知道，信道估计爨的增羹系数。是和估诗器所依据的信遵模型、 估计器本身的复杂度和信道估计的训练数据密切相关的，总的来说，助越大， 为之付出的代价也越大，所以存禚一个拆中选择问题。 a p e l e d ，a 。r u i z ，l j + c i m i n i 等 3 4 ，3 5 比较早地分孝斥了o f d m 系统中信道 估计误差对系统误码率的影响。 o o 2 l ， i 。； ； io 1 5 j a ! 10 a 2 5 3 0弱 4 0 气 电。 图3 - 6 信道转计误差对系统谈码率的影确 s 7o f d m 信遒估计 前面已经分辛厅了信道估计误藏对o f d m 系统性能带潞乏的影响。考虑无线移 动信道的随机性秘时变性，o f d m 系统的信道估计通常可以分为鼹个步骤：首 先是进行信道的参数估计，然后是进行信遒参数的跟踪。其中信道估计通常是在 频域首先使用篱荤的l s 估计算法得至i 信道的频域响应，然后通过一些修正算法 ( 包括变换域方法) 逼近信道的最馒估计：m v i s e 估计。在某些o f d m 系统中采 丽的是基予导频豁信道依计，邵先估计密某些频点上的倍道频域响应，京通过频 域及时域插值获得整个频域和时域上的信道响应值。 2 2 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 第四章中我们将就o f d m 系统的信道估计问题进行详细的讨论，首先简要 的介绍基于导频的信道估计中的导频图案和插值算法，然后具体的讨论o f d m 通信系统中的几种估计算法。 3 8 总结 本章主要讨论了o f d m 通信系统基本原理。分别介绍了o f d m 的时域和频 域的系统模型，然后给出了插入导频的系统模型，并且分析了非理想的信道估计 对o f d m 系统性能的影响，最后简要的介绍了o f d m 通信系统的信道估计。 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 第四章o f d m 传输系统中的信道估计 本章主要讨论o f d m 内接收机中的信道估计问题。本章中先给出般数字 系统的信道估计模型和o f d m 系统的信道估计模型，然后具体的o f d m 通信系 统的几种信道估计算法，并对其做了详细的性能比较和分析。 4 1 引言 在第二章中我们提到无线移动信道是时变的多径衰落信道，要比有线信道复 杂得多，同时我们通过在第三章中的分析，可知信道估计对o f d m 传输系统非 常重要，它是o f d m 内接收机中的一个重要环节。我们可以把o f d m 系统的信 道估计粗略地划分为两类：1 ) 盲估计( b l i n de s t i m a t i o n ) ；2 ) 利用导频的估计( p i l o t a i d e de s t i m a t i o n ) 。采用盲估计方法时，接收机可以在对发送数据完全未知的情 况下完成信道估计，而不需要已知数据的帮助，又称为非数据辅助式信道估计 f n o d d a t a - a i d e dc h a n n e le s t i m a t i o n ，n d a c e ) 。由于盲估计方法不需要发送机 发送特殊的训练序列，从而提高了系统的频谱效率，但是为了得到可靠的信道估 计接收机必须接收到足够多的数据符号，所以有很大的处理延时。在无线移动系 统中，由于信道的时变性，信道统计特性的变化等因素，盲估计算法的使用受到 很大限制。所以通常对无线通信系统来说都必须定期或不定期地发送一定的训练 序列来训练接收机的信道估计器，它又被称为数据辅助式信道估计( d a m a i d e d c h a n n e le s t i m a t i o n ，d a c e ) 。在o f d m 系统中，为了维持各子载波间的正交性， 通常是规定某些子载波在某些时刻用于传送训练数据，所以又称为导频( p i l o t l ， 这就是利用导频的方法。它实际上是单载波系统中的导频辅助调制方法 ( p i l o t s y m b o la i d e dm o d u l a t i o n ，p s a m ) 的推广。 3 6 ，3 7 采样定理告诉我们，对任何一个带限的( 确定的或随机的) 信号进行采样，只 要采样频率满足n y q u i s t 频率要求，则信号可以通过这些采样值精确恢复。而且， 当采样过程受到噪声污染时，如果噪声是加性的( a d d i t i v ew h i t eg u a s s i a n n o i s e ， a w g n ) ，那么可以用w i e n e r 滤波器在最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r e e r r o r ，m m s e ) 的意义上近似恢复原始信号。同样，对o f d m 系统所经历的( 时 变1 多径衰落信道，它可以看成是一个时间频率二维系统，我们可以通过导频图 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 案设计( p i l o ts c h e m e ) ，在信道的时频谱上进行( - - 维) 采样，然后通过( 二维) 插值 可以得到信道的整个时间频率响应。 本章的内容安排如下： 首先，本章简要的介绍了o f d m 系统的信道估计模型，接着具体介绍了 o f d m 系统的三种信道估计方法，并对三种信道估计算法做了详细的比较。 4 2 系统模型 4 2 1 数字系统的信道估计模型 信道估计就是要使信道的不确定性降至最小，使之对收发两方而言是“透明 的”。它包含两个方面： 1 获取或测量信道参数，这是通常意义上的信道估计问题。 2 ，信道矫正或称信道去耦合，这是信道估计的最终目的。 在很多系统中，比如许多基于横截滤波的时域均衡器中，两者可能是同时进 行的，甚至无需进行信道估计，比如差分调相系统。 图4 1 给出了一般通信系统的信道估计模型。 1 l p ( ，) _ 一一一j行f r + s ( ，) 吐煎d + o ( ，) 日( 徊) f p ( t ) ：训练信号 1 s ( r ) ：发送信号 j ( ，) 图4 1 一般信道估计模型 信道估计器接收到的信号可以表示为 r ( t ) = j ( r ) ( r ) + n ( f ) ( 4 1 ) 信道估计器从r ( t ) 中估计信道的冲激响应h ( t ) ，然后根据估计出的向( f ) 构造一个 系统h ( ，) ( 我们称之为逆信道) 级联起来，从而使得整个系统的最后输出正好是 馈入给信道的信号的“准确”估计： 鬻 一 s |，监 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 j ( f ) = s ( f ) + ( ，) + ( f ) h ( f ) = s ( f ) + h ( t ) + ( f ) + n ( f ) + h ( f ) ( 4 - 2 ) = s ( f ) + ”一( t ) 其中 ( f ) + h ( t ) = 万( r ) 。 从频域看，信道估计器从接收信号r ( r ) 中估计出信道的频域响应h ( 归) ， 从而构造一个逆系统h ( j c o ) ，最后得到 j ( ，) = ，。 厂) h ( 扣) + ( 徊) = 厂) i i ( j a o h 、( 归) + n ( j a 0 h ( 归) ( 4 - 3 ) = s ( f ) + 厂。 n ( j o j ) h ，( 归) 其中( 扣) 2 裔离。 所有信道估计方法不外属于以下3 种之一： 1 ) 盲信道估计( b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n ，b e e ) ； 2 ) 半盲信道估计( s e m i b l i n d c h a n n e le s t i m a t i o i l ，s b c e ) ； 3 ) 非盲信道估计( n 0 1 2 b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n ，n b c e ) ，它需要借助训练 序列进行信道参数估计，故又称数据辅助式信道估计( d a t a a i d e dc h a n n e l e s t i m a t i o n ，d a c e ) ；鉴于此，前两种又称为非数据辅助式信道估计 m 0 1 1 一d a t aa i d e dc h a n n e l e s t i m a t i o n ，n d a c e ) 。 由于盲信道估计方法不需要传送额外的冗余信息进行信道估计器训练，所以 具有很高的频谱效率，但它需要接收大量的发送数据以进行准确的信道估计，所 以会引入大的延时，同时要求信道统计特性不变或慢变( 远小于信道估计的收敛 时间1 ，否则不仅不能准确估计信道，反而严重劣化系统性能。通常半盲信道估 计方法也不传送特殊训练序列，或利用少量的训练数据完成信道估计，故其信道 估计的收敛时间也很长。这两种方法都要求信道特性的统计平稳或准平稳及慢时 变。 由于无线移动信道的多径衰落特性和时变性，采用( 半) 盲信道估计则不能快 速准确地完成信道估计或快速跟踪信道特性的变化。所以o f d m 系统的信道估 计通常都是基于训练序列的 3 8 4 0 1 。后面我们仅对d a c e 进行讨论。 4 2 2o f d m 系统豹信道估计模型 由于o f d m 对各个子载波间的正交性要求，使得o f d m 系统的收发双方必 须严格同步( 包括载波同步、采样时钟同步) ，同时必须有足够精确的信道估计。 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 由于无线信道的时变性，大多数o f d m 系统都采用了基于导频训练信号的信道 估计方法，即：利用插八已知的导频信号进行信道粗估计，然后通过插值方法求 出信道的全响应。【3 8 4 0 图4 - 2 重新绘出了o f d m 系统的离散基带模型。如前所述，由于循环前缀 的引入，信号x ( ”) 与信道冲击响应 ( 一) 的线性卷积转化为循环卷积。即当循环 前缀持续时间t o , ( ：t ，t 为采样时间) 满足：死f 。( f 。为最大时延扩展) ， 并且系统中的收发部分严格同步时，除去循环前缀之后得到 y ( n ) = x ( n ) o ( 甩) + z ( n ) ( 4 - 4 ) 其中0 h n 一1 ，“o 表示循环卷积，= ( 聆) 为系统和信道噪声( 通常假定为零 均值的高斯平稳过程) 的时间采样。上式的频域表示为： 】，( i ) = x ( 七) 日( i ) + z ( ) ( 4 - 5 ) 其中0 七n 一1 ，y ( k ) 、x ( 女) 、h ( 女) 和z ( t ) 为分别为y ( ”) 、x ( ) 、a ( ) 及 ：f ”1 的频域表示。上两式中的n 为一个o f d m 符号的子载波数目。本章中假定 通信系统已经完全同步。 砸至垂煎一面亟夏巫宴琏! 叵掣运巫蔓亟垂一 发送序列 。、，要垂匿匡亟垂虿垂叠玉：_ ( 。) 蔷矗一 型写慕矗。 二三f f 习t 珐陈循环嵛n 解诵与解码_ 信号矫正高万一- 土2 耋堕塑塑：! ! 錾一“ 2 l “j 图4 2o f d m 系统的基带模型 如果已知h ( 女) 的估计疗( 女) ，则由上式立即可以得到x ( 七) 删- 2 ( k ) ： m ) = 器= 型鬻产 ( 4 - s ) 其中o 一1 。可以证明，如果膏( 七) 为无偏估计且z ( 七) 为零均值白噪声过 程，则j f 七) 必为无偏估计，且在相同噪声条件下，j ( 七) 的估计方差仅由日( 豇) 的估计方差决定，所以如何获取准确的信道估计是至关重要的。 如前所述，由于无线移动信道是时变、多径衰落信道，o f d m 系统通常采 用基于训练序列的信道估计方法。基于导频训练信号的信道估计方法可咀表示成 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 图4 - 3 的信道估计模型，其中包括了信号校正部分，它相当于图4 2 中的逆信道。 y ( 七) 咒似 4 2 3o f d m 系统的导频图案 图4 - 3 信道估计模型 单载波系统可以看成是一维时间分割系统，其中每个时间片传输一定的信 息。而由前面的讨论可以知道，o f d m 系统实际上可以看成是一个时间频率分 割系统，它把系统资源分割成一个二维传输矩阵( 2 一dt r a n s m i s s i o nl a t t i c e ) ，如图 4 4 所示，其中每个时间片丁内同时有个子载波a f ，且有 f ：击，丁：等，丁：l + 咒( 4 - 7 ) n t 。n 。 、 一：j l 暖j l ! ! 蕾：j 薯尊 i 艇： i 墨：j ：1 随 * 曩 ；习 ，。 图4 4 0 f d m 系统时频传输矩阵 如前所述，o f d m 系统通常采用d a c e 进行信道估计。由于无线信道是时 变多径衰落信道，同时考虑o f d m 系统的二维时频传输特点，训练序列也应该 是一个二维的时频序列，即在图4 - 4 的时频矩阵的某些点处发送已知的训练符号 以进行信道估计器训练。 导频可以按照不同的样式插入到o f d m 系统的子载波上，这些样式就称为 导频图案( p i l o ts c h e m e p a t t e m ) 。4 1 4 5 1 显然不同的导频图案导致不同的信道估计 性能。而且导频信号的插入密度还要满足二维采样定理的要求。 理论上，采用以二维信号处理方法为基础的信道估计算法时，可以得到信道 的最佳估计( l s 估计、m l 估计或m m s e 估计等) ，然后通过二维插值滤波获得 信道的全响应。然而二维信号处理方法的复杂度非常大，所以一般是把二维信号 处理降阶为两次一维信号处理【4 6 4 9 。r n e g i 和j c i o f f i 等【4 5 】指出对频域滤波 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 器，导频信号的均匀插入可以使信道估计的( 频域) 均方误差最小化。实际上对于 均匀慢变信道，导频信号的时域均匀间插也可以使得f 时域1 均方误差最小化据 此导频的插入图案可以分为三种：a ) 全频段分时导频插入；b ) 分频段连续导频插 入；c ) 时频跳跃式导频插入。如图4 5 所示。 第1 种导频图案中，只需要进行时域的插值，即每隔时间f 进行一次全部 频点的测量，然后用这些时刻估计出的信道频率响应，估计其他时刻的信道响应。 第2 种导频图案中，一直都进行基于导频的信道估计，但只对某些频率进行测量， 其他频率的信道响应则通过频域插值进行估计。 前两种都属于一维导频图案，而第3 种则是真正的二维导频图案，它又可以 进一步分为两个子类。其中图4 5 c 。是实现起来比较容易的一种，我们称之为矩 形图案( r e c t a n g u l a r ) 。图4 - 5 - c2 和图4 - 5 - c ；均是图4 - 5 一c l 的变形 4 4 1 。 导频图案的设计要考虑的因素主要有两个： 1 ) 信道的统计特性，即相干时间l 和相关带宽b 。，它们决定了导频图案的 最小n y q u i s t 采样间隔，即血和，通常用它们的归一化参数表示为 ( ， r ，) ： f ，：竺：l 三l 够t + t 61 2l + ( 4 8 ) 【，= 等= n t a f 曼吉脚。 _ 刨 2 ) 信道估计的复杂度和精度。这通常用信道估计算法的运算量和信道估计 的均方误差表示。它们决定了导频图案的形状，这种图案可由 图4 - 5 中的箭头所代表的向量构成的矩阵v = v l ，v ： 表征，其中k 和 分别表示了导频点阵的时间和频率方向图。在图4 - 5 a 、图4 - 5 b 分别有 v 2 = o 和v i = o 。比女口，对图4 - 5 - c l 、图4 - 5 - c2 和图4 - 5 一c ；分另0 = 训儿= 4 弘= 匿4 0 件， 所以，设计导频图案必须在n y q u i s t 采样定理( 公式) 限制条件下尽量减少导 频数目，同时兼顾信道估计的复杂度和精度。 在本论文中，采用的导频图案就是图4 - 5 b ，因此下面所提到的插值算法是 基于此导频图案的。 如前所述，除了采用复杂度很高的纯粹二维信号处理方法外，各种信道估计 算法都是通过二次或多次一维插值实现的，所以一维插值具有一般性。后面我们 o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 将简要的讨论几种维插值方法。 图4 - 5 0 f d m 系统鹣三种典型导颓鬻案 4 2 ，4o f d m 系统审熬信遵 鑫l 十靛捶僖篝法 一、 线性多项式插值算法 线性多项式稀僵算法的基本蘸理是焉分段连续盼益线去近似插值点豹数僮。 依据所用的曲线特征它们可分为很多种，这里仅讨论其中典型的三种：( 1 ) 一阶 线性插值；( 2 ) 三次祥条撩值；( 3 ) z 次多磺式捶僮。蔽子籍箍，这里只绘窭一除 线性插值的表达式如下( f 为插值倍数，f 越大，母频数越小) ： o f d m 无线通信系统的信道估计的研究 2 尹冀垆( 卜妒k - - h 小叫 刚 = ) 叫帅( ( 州) f ) _ “。 二、 线性滤波器插值算法 基于线性滤波器的插值算法的基本过程如下： ( 1 ) 构造一个插值滤波器 。( f ) ； ( 2 ) 对原始信号x o ( f 。) 的插值点进行补零，构造新的信号序列： x ，( r ) = f o 。( ，r ，, t 其= 他t k ( 4 1i