（通信与信息系统专业论文）基于mimoofdm系统信道估计算法的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 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 nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 因其抗多径干扰 能力强和频谱利用率高，被视为下一代移动通信系统的核心技术之一。多输入多输出 ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术通过有效利用多径效应，在很大程度上提 高了频带效率和系统容量。o f d m 技术和m i m o 技术的结合已经成为移动通信发展的必然 趋势。对于m i m o o f d m 系统而言，准确的信道估计对提高系统性能尤为重要。本文主 要对m i m o o f d m 系统的信道估计算法做了深入的研究。 本文首先介绍m i m o o f d m 系统的基本原理及系统模型。研究空时分组码的编解码 原理，并讨论无线信道的特点以及本文仿真所采用的s u i 3 信道模型。然后在导频辅助的 信道估计方面，从导频的模式出发，研究目前已提出的最小二乘( l s ) 、线性最小均方误 差( l m m s e ) 、最大似然( m l ) 三种基本的信道估计算法。并在基于s u i 一3 的仿真平台 上分析比较了三种算法的性能。着重讨论不同的帧头结构、不同的调制方式以及不同功率 分布的帧头对信道估计算法性能的影响，仿真结果表明：对于同一种信道估计算法而言，四 种帧头结构的b e r 性能相近，但第二种帧头节省系统开销；采用q p s k 调制方式的系统 性能优于1 6 q a m 和6 4 q a m 调制方式的系统性能，但6 4 q a m 调制方式的编码效率优于 其它两种调制方式；采用低峰均比功率分布( l o wp a p r ) 帧头的b e r 性能优于8 0 2 1 6 a 协议 帧头的b e r 性能。最后，分别研究了单天线和多天线系统中基于子空间分解的盲信道估计 算法。并在此基础上，提出了一种适用于多天线o f d m 系统的改进算法，仿真结果表明： 随着接收天线数目的增加，改进算法的均方误差随之降低；当增大参与估计的o f d m 符号 数目时，系统b e r 性能不断改善。 南京邮电大学硕1 二研究生学位论文a b s t r a e t a b s t r a c t o f d mh a sb e e nr e g a r d e da l st h e k e yt e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e md u et oi t sr o b u s t n e s st o m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea n dh i g hs p e c t r u m e f f i c i e n c y b yu t i l i z i n gm u l t i - p a t he f f e c t ，m i m oc a ni m p r o v eb a n d w i d t he f f i c i e n c ya n ds y s t e m c a p a c i t ys i g n i f i c a n t l y t h ec o m b i n a t i o no fo f d ma n dm i m oh a sb e e nt h ei n e v i t a b l et r e n di n t h ed e v e l o p m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n f o rt h em i m o o f d m s y s t e m ，t h ea c c u r a t ec h a n n e l e s t i m a t i o ni si m p o r t a n tt oi m p r o v i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nt h e s t u d yo fc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d si nt h em i m o o f d ms y s t e mm a i n l y f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fm i m o o f d ms y s t e m sa n ds y s t e mm o d e l t h e nt h ep r i n c i p l eo fe n c o d i n ga n dd e c o d i n ga b o u ts t b ci si n v e s t i g a t e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c o fw i r e l e s sc h a n n e la n dt h es u i - 3c h a n n e lm o d e lt h a ti su s e di nt h i st h e s i sa r ed e s c r i b e d a f t e r t h a t ，b a s e do nt h em o d e so fp i l o ts i g n a l ，w ed i s c u s ss o m eb a s i ce s t i m a t i o nm e t h o d ss u c ha s l e a s t s q u a r e ，l i n e a rm i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o ra n dm a x i m u ml i k e l i h o o d t h e nt h e p e r f o r m a n c eo ft h e s em e t h o d si sa n a l y z e di nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do ns u i 3 a n dt h e i n f l u e n c e so fd i f f e r e n t p r e a m b l es t r u c t u r e s ，d i f f e r e n t m o d u l a t i o n w a y s a n dd i f f e r e n t p o w e 卜d i s t r i b u t i o np r e a m b l e st oc h a n n e le s t i m a t i o np e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t so fs i m u l a t i o n ，w ed r a ws o m ec o n c l u s i o n s a st ot h es a m ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d ，t h e b e r p e r f o r m a n c e so ff o u rk i n d so fp r e a m b l e sa r ea l m o s te q u a l ，b u t ，t h es e c o n dk i n do fp r e a m b l e s a v e ss y s t e mo v e r h e a d t h ep e r f o r m a n c eo fq p sk m o d u l a t i o ni sb e t t e rt h a nt h a to f16 q a ma n d 6 4 q a mm o d u l a t i o n ，h o w e v e r , t h ee n c o d i n ge f f i c i e n c yo ft h e6 4 q a mm o d u l a t i o ni sh i g h e rt h a n t h eo t h e rt w om o d u l a t i o n s t h eb e r p e r f o r m a n c eo fl o wp a p rp r e a m b l ei sb e t t e rt h a n8 0 2 16 a p r o t o c o lp r e a m b l e a tl a s t ，w es t u d yt h e s u b s p a c e b a s e d b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o ni n s i n g l e 。a n t e n n as y s t e ma n dm u l t i a n t e n n as y s t e mr e s p e c t i v e l y t h e nb r i n gam o d i f i e da l g o r i t h m t h a ti sf i tf o rm u l t i a n t e n n ao f d ms y s t e m t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tw i t ht h e i n c r e a s eo ft h en u m b e ro fr e c e i v i n ga n t e n n a ，t h er m s eo fm o d i f i e da l g o r i t h md e c r e a s e s t h e s y s t e mb e rp e r f o r m a n c ei m p r o v e sb ya d d i n gt h en u m b e ro fo f d ms y m b o l sw h i c ht a k ep a r ti n c h a n n e le s t i m a t i o n 南京邮电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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：奎乱日期：2 回，鲒垡 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：翅 导师签名： 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 无线数据与移动计算网络 作 者：2 0 0 4 级研究生李霞 题目：基于m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究 英文题目：t h es t u d yo fc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d si nm i m o o f d m s y s t e m 主题词： 正交频分复用多输人多输出信道估计盲估计 最j , , - 乘线性最小均方误差最大似然 k e y w o r d s ： o f d mm i m oc h a n n e le s t i m a t i o n b l i n de s t i m a t i o nl sl m m s em l 南京邮电入学硕i ：自t f 究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在未来高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号传输 过程中必须考虑的几个关键问题。o f d m 技术能实现频率选择性多径衰落信道向平坦衰落 型信道的转化，有效的减小了多径衰落的影响；而m i m o 技术能在空间中产生多个独立的 并行信道同时传输数据，在不增加系统带宽的情况下大大的提高了频谱利用率；空时编码 技术做到了编码、调制和空间分集的完美结合。以上三种技术的结合备受人们的关注。 1 1 多天线正交频分复用技术 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术是第三代和未来移动通信系统实现高数 据速率、大系统容量，提高传输质量的重要途径【1 1 。在当前第三代移动通信系统中，下行 链路的容量是整个系统的瓶颈。并且大部分业务对上下行链路容量要求不对称，尤其对下 行容量的要求很高，诸如视频多媒体、下载等业务。在传输带宽受限的情况下，如何提高 无线链路传输能力，已成为第三代移动通信系统面临的难题。但m i m o 技术采用多天线收 发单元，巧妙地利用多径传播，开发空间资源，建立空间并行传输通道。该技术在不增加 带宽和天线发送功率的情况下，成倍地提高了系统频谱利用率，有效地解决了第三代移动 通信面临的难题。 o 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 ) 是一种多载波调制技术。它将串 行高速信息数据流变换成为若干路并行低速数据流，每路低速数据流调制在彼此正交的子 载波上，然后所有的子载波叠加在一起构成发送信号【引。和传统的单载波系统相比，o f d m 系统的各子载波信道频谱相互重叠，因此具有较高的频谱利用率。同时，o f d m 将高速数 据进行串并转换，降低了子载波上的符号传输速率，减小了无线信道对系统的影响，使系 统抗多径和频率选择性衰落的能力更强。此外，o f d m 的f 交子载波将频率选择性衰落信 道等效为若干并行的平坦衰落信道，将信道的影响等效为复数因子，简化了信道均衡；同 时，o f d m 可以通过动态比特分配技术和比特自适应调制技术使系统达到最大传输效率和 最优的系统性能。f 因为如此，o f d m 作为一种高效数据传输技术备受关注，已成为下一 代移动通信系统的核心技术之一。 不过o f d m 技术提高频谱利用率的能力毕竟有限的，在o f d m 技术的基础上合理地丌 发空间资源，即多天线o f d m t 3 1 技术，可以提供更高的数据传输速率。多天线o f d m 系统 南京邮电大学硕一l ：研究生学位论文 第一章绪论 集两种技术的优点于一身，既具有极强的抗多径干扰和码间干扰的能力，又能满足系统高 数据速率、大容量的要求。 1 2 空时编码技术 在第三代移动通信系统中，空时编码技术能有效地抗信道衰落和提高系统容量【4 j 。空 时编码是一种可以使信息容量接近理论容量的实用型编码。空时编码在发射信号的空域和 时域都引入联合相关，不仅可以同时取得分集增益和编码增益，而且能得到很高的频谱利 用率。 经典的空时编码包括：分层空时编码( b l a s t ) 、空时格码( s t t c ：s p a c e t i m et r e l l i s c o d e ) 和空时分组码( s t b c ：s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 。分层空时码的编码简单，其编码性能 与其它两种编码相比最差，最根本原因是其没有实现分集。空时格码的优点是具有较高的 分集增益和编码增益，缺点是编码时搜索好码比较困难，译码过程也比较复杂。空时分组 码基于j 下交性的设计，在获得更大的分集增益的同时，也降低了译码的复杂度，因此s t b c 得到了广泛的应用。 然而在实际环境中，无线信道是频率选择性衰落信道，此时空时编码的设计变得非常 复杂，而o f d m 技术恰好可将频率选择性衰落信道转化为许多并行的平坦衰落信道，这样 就大大降低了空时编码的复杂度。空时编码技术和多天线o f d m 技术两者很好地结合在一 起，能发挥各自的性能优点，从而提高了系统的总体性能。并且，结合了空时编码的多天 线o f d m 系统能在不增大发射功率和不扩展频带自，j 提下实现高速数据传输。其代表了空间 资源利用技术发展的趋势，有效地满足了未来无线移动通信对高速数据传输的要求。 1 3 本论文主要工作和内容安排 本论文完成的主要工作如下： 1 根据8 0 2 1 6 a 协议推荐的参数搭建了m i m o o f d m 系统的仿真平台： 2 研究了三种基于导频的信道估计方法( l s ，l m m s e ，m l ) ，并将其应用到m i m o o f d m 系 统中。在此基础上讨论了不同帧头结构、不同调制方式、不同功率分布的帧头对信道 估计算法性能的影响： 3 分别研究了适用于s i s o 系统和s i m o 系统的基于子空间分解的盲信道估计算法。在研 究的基础上对原算法加以改进，使改进后的算法适用于多天线o f d m 系统，并通过仿 真分析了改进算法的性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 本论文在参阅大量相关文献的基础上，主要分析和研究m i m o o f d m 系统中导频辅 助的信道估计方法以及基于子空间分解的盲信道估计算法，并通过仿真分析和比较所研究 算法的性能特性。具体章节安排如下： 第一章为绪论部分，简要阐述多天线o f d m 技术以及空时编码技术。 第二章首先详细介绍o f d m 技术及m i m o 技术的基本原理，然后介绍多天线空时分 组码编解码原理。最后，阐述m i m o 与o f d m 两者的结合，并给出m i m o o f d m 系统模 型。 第三章介绍无线移动信道环境及其模型，重点介绍8 0 2 1 6 a 协议无线信道特性，以及 协议中推荐的空时编码方案、s u i 一3 信道参数。 第四章从导频模式出发，着重研究目前提出的一些导频辅助的信道估计方法。本章 最后给出基于s u i 3 信道环境的仿真结果及性能分析。着重分析了不同帧头结构、不同调 制方式、不同功率分布帧头对信道估计算法性能的影响。 第五章介绍盲信道估计算法，着重研究s i s o 系统和s i m o 系统的基于子空间分解的 盲信道估计算法。在研究的基础上，提出了一种适用于多天线o f d m 系统的改进算法，最 后给出改进算法的仿真结果及性能分析。 第六章总结全文并提出了下一步工作的展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第- 二章多输入多输i t jo f d m 系统 第二章多输入多输出o f d m 系统 新一代移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) 要实现在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒 体业务的传输，就必须采取频谱效率高的抗衰落技术来提高系统的性能。正交频分复用 ( 0 f d m ) 技术支持高速数据传输，其能有效地抗频率选择性衰落并具有高频谱利用率， 并且通过增加发射端和接收端的天线数量，可以显著提高频谱利用率。多输入多输出 ( m i m o ) 技术可充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，可以极大地提高信道 容量。因此，o f d m 和m i m o 技术的有效结合已成为新一代移动通信的必然趋势。空时编 码在发射信号的空域和时域都引入联合相关，不仅可以同时取得分集增益和编码增益，而 且能得到很高的频谱利用率。本章将详细介绍以上三种m i m o o f d m 系统的关键技术。 2 1o f d m 的基本原理及实现 传统的频分复用方法将频带划分为若干个互不相交的子频带来并行传输数据流。传统 的频分复用中对各子载波之间正交性不作特殊要求，但子载波之间要留有足够大的保护频 带。而o f d m 是一种特殊的频分复用( f d m ：f 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 ) 技术。其 要求各个子载波之间相互正交，并允许各子载波的频谱相互重叠。因此，同传统的f d m 相比，o f d m 最大限度地提高了频谱利用率。当子载波数足够大时，系统的频谱利用率趋 于2 b a u d h z 。传统的频分复用( f d m ) 信号频谱与( o f d m ) 信号频谱的比较见图2 1 。 f六页压 ) o f d m 信号频谱 厂、厂、厂、 f d m ( 频分复朋) 信号频谱 图2 一lf d m 信号频谱与o f d m 信号频谱之间的比较 o f d m 技术实际上就是一种并行调制方式，其将符号周期扩大了n 倍，从而大大提高 了抗多径衰落的能力。在传统的频分复用中，为了降低各子载波之间的相互串扰，各子载 波之间必须保持足够的频率间隔。这样各子载波的信号频谱互不重叠，频谱利用率不高。 而在o f d m 系统中，各子载波在整个符号周期上相互正交，可以做到各子载波的信号频谱 互相重叠，这样就在很大程度上提高了系统频谱利用率。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹多输入多输出o f d m 系统 一个o f d m 符号是若干经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波可以采用相移 键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 1 5 1 。假设表示子载波的个数，r 表示o f d m 符 号的持续时间，d 。( 七= 0 ，n - 1 ) 表示第k 个子载波上传输的数据，石表示第0 个子载波 的载波频率，矩形脉冲成型函数为r e c t ( t ) = l ( iti 1 ( 3 4 ) 本文第四章将在基于s u i 3 的仿真平台上对导频辅助的信道估计算法进行仿真分析，因 此，以下将对s u i 3 信道参数做详细的介绍【16 1 ，具体参数见表3 1 。 s u i 一3c h a n n e l t a p lt a p 2t a p 3 u h i t s d e l a ) r o o 51i l s p o w e r ( o r m ua n t ) o51 0d b 9 0 k - f a c t ( o m n i ) 100 7 5 k f a c t ( o l a n i ) 700 p o w e r ( 3 0 。a n t ) 01 l2 2d b 9 0 。ok f a c t ( 3 0 0 )300 7 5 k - f a c t ( 3 0 。) 1 900 d o p p l e r 0 4 0 40 4 h z a u t e l t m a ( o r r e l a t i o a ：i = 卧2 04 t e r r a i nt y p e ：b g a i nr e d u c t i o nf a c t o r ：g r f = 3 d b o m m a n t e t a n a ：1 8 1 5 暑0 2 6 4 1 t s n o r m a l i z a t i o nf a c t o r ：瓦画一i 5113 d bo v e r a l lk ：k - = o 5 ( 9 0 ) ：k = 1 6 ( 7 5 ) 弓矿一0 ，3 5 7 3 d b 3 0 。a n t e n n a ：。n ：s - - - - 0 1 2 3 t 峙 m p f a i ik k = = 一 r o o o 台、k - - 7o r 7 气哆j 、 表3 一ls u i 3 信道参数 s u i 3 模型定义了一个三径的r i c e a n 信道。主径服从k 因子为1 的r i c e a n 分布，另 外的两径服从r a y l e i g h 分布。三径的平均功率分别为【o 一5 1 0 d b ，相应的时延为【o 00 5 1 】声。 8 0 2 1 6 a 协议中规定：信道带宽为1 7 5 m h z 的整数倍，相应的系统采样率为信道带宽 的8 7 倍( 免牌照频段) ，所以系统采样率为2 m h z 的整数倍。可选的最小采样率为2 m h z ， 其对应的最大采样周期就是o 5 脚。c p 长度可为o f d m 有用符号间隔的l 4 、1 8 、1 1 6 或1 3 2 ，由于f f t 为2 5 6 点，因此c p 可取6 4 、3 2 、1 6 或8 点。当c p 取最大值6 4 点时， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章无线信道环境及模型 个完整的o f d m 符号为3 2 0 点，其时间间隔为i = 1 6 0 2 s 。取相干时间t 为最大多普勒 频移( s u i 3 信道的最大多普勒频移为0 4 h z ) 的倒数，那么疋= 1 厶= i 0 4 h z = 2 5 s ， 显然满足c 疋，因此信道是慢衰落信道。另外：取相干带宽b c 为最大多径时延扩展的 倒数，即b 。= 1 乙1 1 z s = 1 m h z ，采样频率c 曰。，即整个信道是频率选择性衰落信道； 不过t 乙= l p s ，即子载波间隔远小于信道的相干带宽，因此各子信道经历的是平坦衰 落。这样就充分体现了o f d m 技术的优势：o f d m 技术通过串并转换，把整个频率选择 性衰落信道转化为了多个平坦衰落子信道。 8 0 2 1 6 a 协议中基于o f d m 的物理层采用2 5 6 个子载波，每个子载波可以选用b p s k 、 q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 调制方式之一。其中1 9 2 个子载波用于传输数据，导频子载波 个数为8 ，保护子载波个数为5 5 ( 高频段2 7 个，低频段2 8 个) ，直流子载波个数为1 。本 文第四章仿真中采用的o f d m 符号各子载波的用途完全按照协议规定来设定。 3 2 38 0 2 1 6 a 协议中空时编码方案 8 0 2 1 6 a 协议中的s t b c 的解决方案【1 7 1 如图3 2 所示。在第1 符号周期，天线1 发送瓯， 天线2 发送s 1 ；在第2 符号周期，天线1 发送一s ? ，天线2 发送s 。 ( s o ， ( s 2 ， t x 2 频率 导频子载波调制数据 图3 2 采用s t b c 的两发o f d m 系统 8 0 2 1 6 a 协议中具体的空时编码参照了a l a m o u t i 的空时编码解决方案。 南京邮电人学硕l 研t u 生学位论文 第三章无线信道环境及模型 a l a m o u t i 提出i 拘i z i s t - 收的空时编码解决方案【1 8 】如图3 3 所示。t l 时刻的接收信号表 示为r o ，t 2 时刻的接收信号表示为1 ，h o 是发射天线1 到接收天线之间的信道参数，h i 是 发射天线2 与接收天线之间的信道参数。 晶 - s i a 弋 聆o 圪l s l s o 厂一干扰和噪声 一、 1 r 1 l r 1 l r l lu i i i 信道估计器i 二i 合成器 。乃j 办。1 i r 。 1 i r 瓦1 i r 墨。 l 最大似然检测 幽3 3a l a m o u t i 的两发一收的空时编码解决方案 贝u ： r o = hoso - i - hl sl - i - 玎o ( 3 - 5 ) 一 r l = 一hosl + hiso + 玎l( 3 6 ) 由接收信号可以估计出瓯，s ，分别为： ；o = h + 厂o + hl ，l +(370 7 7 ) so 2 厂o + l ，l ( 。7 ) 参i = hl + r h 0o r l ( 3 8 ) si = 1 。r o r l ( 3 - 8 ) ( 2 ) 两发两收系统中发射信号的估计值 a l a m o u t i 提出的两发两收的空时编码解决方案【1 8 l 如图3 4 所示。t l 时刻的接收天线1 ， 2 收到的信号分别表示为r o ，r 2 。t 2 时刻的接收天线l ，2 收到的信号分别表示为1 ，乃。 是发射天线1 到接收天线1 之间的信道参数，h 。是发射天线2 与接收天线1 之间的信道参 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章无线信道环境及模型 是发射天线1 到接收天线12 1 8 - j 的信道参数，h 。是发射天线2 与接收天线1 之间的信道参 数，h ：是发射天线1 到接收天线2 之间的信道参数，h ，是发射天线2 与接收天线2 之间的 信道参数。 刀0 刀1 & 一s ? s l 瓯 图3 4a l a m o u t i 的两发两收的空时编码解决方案 尸o = hoso + hlsi+no 厂l = 一ho ? + h sis ：+ ，7l厂l 2 0l + io + ，7l 广2= h 2so + h3sl + ，22 ，3 = 一h2s + h3s s 1 7 s ；+ f 3，3 = 一2 + 3o + 由接收信号可以估计出s o ，s ，分别为： 一s 0 = h o 。r o + h ir ：+ h 2 r 2 + h 3 r ； l = 办7 一向o n + h 3 r 2 一办2 0 恐 码 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 一1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 南京邮电大学硕二l 研究生学位论文第四章基于导频的信道估计计算法研究 第四章基于导频的信道估计算法研究 由于多径衰落和多普勒频移的影响，无线移动信道呈现频率选择特性和时间选择特 性。为实现可靠接收，要求接收端实时的估计出信道特性。当o f d m 系统采用性能更好的 相干解调时，为获得信道信息必须进行信道估计。其次，当多天线o f d m 系统采用空时编 码时，接收端必须在准确的知道信道参数的前提下，才能实现空时编码的正确解码。因此， 准确实时的信道估计在m i m o o f d m 系统中显得尤为重要。本章将就导频辅助的信道估 计算法做深入研究。 4 1 概述 当前，人们已经提出了多种信道估计方法，这些估计方法从是否使用训练序列的角度， 可分为三类1 ： 1 导频辅助的信道估计。信道模型建立后，其参数可以根据信道的变化而不断调整。 假如接收机知道接收信号在发送前的某些信息，就可以利用这些信息较为准确地估计出信 道的冲激响应。此类方法就是基于导频辅助的信道估计。它在发送端的数据流中按照某种 规则插入一定数量的已知信号即导频( p i l o t ) 。在接收端首先提取出导频位置的接收信号， 然后利用导频位置的接收信号和发端的导频信号可以估计出导频位置的信道响应，最后通 过内插算法，可以获得整个信道响应的估计值。此类算法的优点：算法简单，极易应用在 各种无线通信系统中。缺点：系统开销增大，带宽利用率降低。 2 盲信道估计。它利用已传送数据的数学信息，如循环平稳的统计特性等进行估计。 此类方法需要处理大量的数据，算法复杂，计算量大，收敛速度比较慢，可移植性也比较 差，但此类算法无需传输导频信号，节省了系统丌销，提高了系统的有用数据传输速率。 3 半盲信道估计。此类算法是数据传输效率和收敛速度之间做一个折中，即采用较少 的训练序列来获得信道的信息。该类算法既使用导频信号又使用盲估计的方法，可以在较 快的收敛速度下获得较好的性能。 以上三类方法各具特色，可根据不同的系统要求来选择不同的信道估计算法。其中导 频辅助的信道估计方法是目前最广泛使用的一类方法，8 0 2 1 6 a 采用此类方法。本章将详细 研究三种典型的基于导频的信道估计算法。 南京邮电大学硕：i 二研究生学位论文第四章基十导频的信道估计计算法研究 4 2 导频模式 导频图案是o f d m 系统的重要参数之一，其直接影响到信道估计算法的精度。信道的 相干带宽和相干时间是导频图案选择的主要依据。时频域内导频信号要做到在不过多增加 系统开销的情况下，能够随时跟踪信道特性的变化。在o f d m 系统的设计过程中，一方面， 导频的间隔要足够大以便降低系统的开销，另一方面，导频的间隔应尽量小以便确保信道 估计的可靠性。 单载波系统中，仅在时间方向插入导频，而多载波系统中，可以同时在时间和频率两 个方向插入导频。导频按照一定的方式插入到o f d m 符号中，其分布可以等效为信道频率 响应的二维采样。经典的导频图案有：矩形、六边形、三角形等。文献1 1 9 】表明，在导频个 数和采用的估计方法相同的情况下，六边形导频图案的信道估计性能要优于其它两种图 案。 4 2 1 一维导频分布模式 一维导频仅在时域或频域方向插入导频信号。通常有两种导频插入方式：块状 ( b l o c k t y p e ) 导频插入方式和梳状( c o m b t y p e ) 导频插入方式【2 0 】，分别用图4 1 和4 2 所 示，图中黑色圆圈表示该单元传输导频符号，空白圆圈表示该单元传输信息符号。块状导 频插入方式是每隔一段时间在所传输的数据中插入一个o f d m 码元，该码元中所有的子载 波都用来传输导频符号，块状导频通常用在信道变化较慢的情况下。由于训练符号包含了 所有的导频，所以在频域就无需插值，因此这种导频分布模式对频率选择性衰落相对不敏 感。梳状导频插入方式的每个o f d m 码元中都插入了一定数目的导频，这些导频通常是等 间隔分布的。由于这种模式在时域上是连续估计的，因此其具有较强的抗快衰落能力，可 应用于即使在一个码元传输时间内信道特性就发生变化的快衰落信道。另一方面，由于只 有某些特定的子载波携带导频，其它的数据子载波上的信道频响需要通过对相邻导频子载 波上的信道响应进行插值而获得，因此梳状导频相对于块状导频而言，对频率选择性衰落 更为敏感。通常采用两种方式结合的导频结构。 壹室塑电大学硕上研究生学位堡文 一 第四章基于导频的信道估计计算法研究 频 蛊 频 蜜 图4 1 块状导频插入方式 图4 - 2 梳状导频插入方式 4 2 2 二维导频分布模式 根据二维采样定理，只要导频的分布足够密，就可以通过二维采样来恢复出任意时间 和频率信道的频率响应函数。假定频域方向导频间隔为n ，个子载波，信道最大时延扩展 为 t m a x ，子载波间隔为a f ；时域方向导频间隔为n ，个o f d m 码元，最大多普勒频移为 厶m 戤，o f d m 的符号周期为t = ( + n ) l ，其中瓦表示系统采样周期，表示c p 长度， 为子载波总数，则采样定理要求满足下式【2 3 1 ： i 丁咖世n rs1 【厶。r ，1 2 对于信道传输函数比较好的抽样应该满足时间方向的取样率和频率方向的取样率平 衡，即使下面等式成立： f d 眦t n t 专z 懈世- nf t 4 - 2 ) 考虑到同步误差和信道的多变性，一般要求时频导频密度满足两倍n y q u i s t 采样速率2 1 ， 2 2 l ，即： r 一- a f 丁，n 1 2 1 4 ( 4 3 ) 【厶一丁， 、1 叫 二维导频在时间和频率两个方向上插入导频符号，由于充分考虑到了信道在两个方向 上的特性，因此一般来说二维导频辅助的信道估计方法在性能上要优于一维导频辅助的信 道估计方法。o f d m 系统的信号分布在时域和频域内，因此可以采用二维导频信道估计方 法a 此时，时频方向上插入的导频个数要满足( 4 一】) 式所示的采样定理的要求。 事实上二维的w i e n e r 滤波器的实现非常复杂，实际中将二维滤波器分解为两个级联的 2 8 000ooooooooo oooooo()oooooooooooooc)oooooooooooo000 000ooo()o(、ooo oooooo000oooooo000ooooooooooooooooooooooooooooooooooooco(、ooo000000()oo000oooooo00(、()00ooo000oooooc)oooooo000000ooooo000oooooooooooooooooooooooooooooog oooo00000000000000000033)r、3r、333()ooooooooocc000cooooo00000000000000003003333r、3330oooooooooo000000ooooooooooooooooo003303333333330o00000cccccgoooooooo000000000000oo00037r、r、)r、33300 壹室唑皇盔堂亟：生婴壅生堂垡迨塞箜璺重量王量塑盟篮望鱼丛生蔓鎏堑壅 一维滤波器：一个时间方向的滤波器和一个频率方向的滤波器1 2 4 1 。这就简化了二维滤波器 的实现，只需在时域和频域依次进行两次插值。通过两个级联的一维滤波器来实现二维滤 波器的算法，计算复杂度低，但能获得较好的性能。如图4 3 所示，可以先对包含导频信 号的o f d m 符号进行频率方向滤波，然后在时间方向对所有的子载波进行滤波【5 】。先频域 后时域的滤波顺序可以实现，当包含导频符号的o f d m 信号到达时，就可以进行第一步滤 波，这样可以减少整个信道估计的延时。但实际上，w i e n e r 滤波器是线性滤波器，采用 另一种滤波顺序也可以获得相同的性能。 图4 3 二个级联的一维内插滤波示意图 口 数据信号 导频信号 研究结果表明【2 2 1 ，两个级联的一维滤波器与二维滤波器在性能上非常相近，但计算复 杂度却大大降低了。 4 3 导频辅助的信道估计算法 最常用的几种信道估计算法有：最小二乘( l e a s ts q u a r e ，l s ) 估计、线性最小均方误 差( l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ，l m m s e ) 估计、最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ， m l ) 估计。下面将分别作详细介绍。 4 3 1 最小二乘( l s ) 算法 最小二乘( 1 e a s t s q u a r e ：l s ) 信道估训2 5 1 就是在最小二乘准则下得到的信道估计器。 假定有p 个导频信号x p ( 聊) ( 朋= o ，l ，p - 1 ) 被均匀地插入到要传输的数据x ( 七) 中， 即个子载波被分为n ，组，每组含工= m 7 m 个子载波。每组中的第一个子载波用于传输 南京邮电大学硕士研究生学位论文第p 目章基于导频的信道估计计算法研究 导频符号，其余子载波用于传输有效数据，则第k 个子载波上传输的信号可以用下式表示： 础m c 山驴 i n f 筘瞥 ， 单天线系统中，导频信号 x 。( 聊) ) 取值的不同不影响信道估计的性能，在实际中也可 以取相同的信号以降低计算的复杂度。 设h ，= 【h ，( 0 ) h ，( 1 ) 日p ( p - h i r 为导频子载波处的频响，若不考虑i c i ，则导 频位置上接收到的信号匕= 【( o ) y p ( 1 ) y p ( n ，一1 ) 】7 可表示为： 匕= k h ，+ ，2 p ( 4 - 5 ) 其中x ，为由x p ( 聊) ( 历= 0 , 1 ，n p 一1 ) 构成的对角阵，纷，为导频子载波上的加性高 斯白噪声( a w g n ) 。 根据l s 准则，得到导频处信道冲激响应的估计值： 皓匕端器筹高 件6 ， l s 估计算法结构简单，计算量小，但对a w g n 和i c i 较为敏感。当a w g n 和i c i 较 大时，估计的性能将大大降低。由于数据子载波上的信道响应是通过对导频子载波上的频 响进行内插得到的，导频子载波处频响估计的准确程度将直接影响到整个系统的估计性 能。因此l s 估计算法有待进一步改进。 4 3 2 线性最小均方误差( l m m s e ) 算法 基十线性最小均方误差( 1 i n e a rm i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r ：l m m s e ) 准则，得刽导 频处频响的估计值【2 0 1 ： h 咖骶蛇= rhp h 小s r n - i p hh 口，l s = r h 声| j 迥h | ? h p + 2 ”旷h p 了j 了jap s = ( t ) i m m s 彝p s ( 4 - 7 ) 其中，疗肌为l s 估计算法得到的导频处的频响，一为a w g n 的方差，抽。为加 权矩阵，该算法对l s 估计的结果进行了平滑。 r 叩，= e 扛，h ，片 r 叩p 。= e 如，h ； 堕室堂皇盔堂堕尘型1 2 1 生兰垡丝塞 一 翌些里垄量墼盟堡堕! 直生生墨鲨坐丕 r ；= e 冲啪h ： 、( 4 - 8 ) f l 拭( 4 7 ) 可以看出，l m m s e 算法需要对矩阵求逆，每次估计时，都要计算x p x p ， 并重新计算加权矩阵缈加。，计算量大，对硬件的要求比较高，不适合在实际系统中应用。 为了消除疗，伽懈对x ，的依赖，可以用e 口p x 多