（通信与信息系统专业论文）ofdm系统时变信道状态信息估计.pdf

0 f d m 系统时变信道状态信息估计 专业：通信与信息系统 申请人：刘莉 导师：戴宪华教授 摘要 现代移动通信系统中，用户运动造成信道时变。只有掌握信道的变化状态信 息，才能保证通信的可靠性和有效性。本文在基于导频的正交频分复用( o f d m ) 系统信道估计的基础上，对提出的检测时变信道变化状态的方法进行了深入研 究。 我们在论文中首先分析无线移动信道的特性，接着阐述o f d m 系统的基本 原理和系统模型，然后围绕该系统中信道估计技术的研究，进行了详细介绍和分 析，并用m a t l a b 仿真比较了应用于块状导频和梳状导频时的各种信道估计方 法的性能。随后重点提出检测信道状态信息( c s i ) 变化的新方法，即通过寻找合 适的评价信道变化的参量，来衡量信道的变化状态，为后面自适应传输等工作的 开展提供可靠的c s i 。最后给出仿真结果，验证在不同时变信道中该方法的性能。 关键词：时变信道，信道状态信息导频，正交频分复用，信道估计 e s t i m a t i o no ft h et i m e - v a r y i n gc h a n n e l s t a t e i n f o r m a t i o ni no f d ms y s t e m s m a j o r ： c o m m u n i c a t i o n s & i n f o r m a t i o ns y s t e m s n a m e ： l i u l i s u p e r v i s o r ： p r o f e s s o rd a ix i a n h u a a b s t r a c t c h a n n e i sa r et i m ev a r y i n gi nm o d e r nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c hc a u s e b ym o v i n gu s e r s w es h o u i dk n o wt h ev a f y i n gc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) ，i n o r d e rt oe n s u r et h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e ra d d r e s s e st h e d e t e c t i o no ft h es t a t ei n f o r m a c i o nf o r t i m e v a r y i n gc h a n n e i s ， b a s e do n山e p i l o t s y m b o i a i d e d e s t i m a t i o ni n o n h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p i e x i n g ( o f d m ) s y s t e m s f i r s t l y ，w ed l s c u s st h ep r i n c i p i ea n d 1 0 d e lo fo f d ms y s t e m sa f t e rt h ei n t r o d u c t i o n o ft h ef a d i n gc h a n n c l s ，s e c o n d l y ，k i n d so fd i f f e r e n ta 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 n a r ei n v e s t i g a c e d w eh a v ec o m p a r e dt h ep e o 咖a n c eo ft h e s ea i g o r i t h m sb a s e do n b i o c k t y p e a n dc o m b t y p e p i l o ta r r a n g e i n e n tu s i n gm a t l a b t h i r d l y w ep l a c e e m p h a s i so nt h em e t h o d so fd e t e c t i o no ft h ev a r y i n gc s i ，t oe x p l o r ea p p r o p r i a t e p a r a m e c e r st h a tc o u l de v a l u a t et h es 【a 【eo ft h ec h a n n e i s w 色c a ni m p l e m e n tt h e s e m e 【h o d sf o ra d a p t l v et r a n s m i s s i o nl a t e lf i n a l ly t h e yh a v eb e e np r o v e nb yc o m p u t e r s j m u i a “o n k e y w o r d s ：t i m e v a r y i n gc h a n n e i s ，c s i ，p i l o ts y m b o l s ，o f d m ，c h a n n e ie s t i m a t i o n 第l 章绪论 第1 章绪论 本章首先回顾移动通信的发展历史和背景，展望未来技术的发展趋势，接着 提出本课题的研究任务与意义，最后给出论文的工作安排。 1 1 研究历史和背景 移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段。它是固定通信的延 伸，也是实现人类理想通信必不可少的手段。通信的理想要求为保证任何人 ( w h o e v e r ) 、任何时候( w h e n e v e r ) 、在任何地方( w h e r e v e r ) 、同任何人( w h o e v e r ) 实现任何方式( w h a t e v e r ) 的交流，在技术上逐步实现“全球一个网”( o n e g i o b e ， o n en e t w o r k ) 。移动通信将起着重要的基础性作用。 所谓移动通信，是指通信的一方或双方是在移动中进行信息交换的。也就是 说，至少有通信的一方处于运动之中，或暂时停留在某一非预定的位置上。其中 包括移动台和移动台之间的通信，移动台与固定台之间的通信。 移动通信系统具有以下主要特点： ( 1 ) 移动通信必须利用无线电波进行信息传输。在固定通信中，传输信道可 以是无线电，也可以是有线。但是移动通信中至少有一方处于运动状态，显然必 须使用无线电波传播。 ( 2 ) 信道传输特性较复杂，不稳定。由于移动台位置不同，导致接收信号强 度不同，严重影响通信质量；移动台工作环境不能随意选择，存在严重的外部噪 声和干扰问题。 ( 3 ) 所用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与目俱增。因而 1 方面要开辟和启用新的频段，另一方面要研究各种新技术、新措施，以压缩信 号所占的频带宽度和提高频谱利用率。 ( 4 ) 网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效。移动通信网络可以单网 运行，也可以多网并行并实现互连互通，为此应具有诸如用户的登记和定位，通 信链路的建立和拆除，信道的分配和管理，用户越区切换和漫游访问等能j 。 ( 5 ) 移动台应具有小型、轻量、低功耗和操作方便等优点，而且要保证在振 动、冲击和高、低温等恶劣的条件下能正常工作，同时还要求省电。 中山大学硕十学位论文 1 1 1 前三代移动通信技术回顾 1 第一代( l g ) 移动通信系统 特点足以模拟电话为主，采用频分双工( f d d ) 、频分多址( f d m a ) ，利用蜂 窝组网技术以提高频率资源利用率。采用蜂窝网络结构，克服大区制、容量密度 低、活动范围受限的问题。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途 漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。像七十年代末出现的模拟蜂窝移动电 话、无线寻呼、模拟无绳电话和模拟集群等。 2 第二代( 2 g ) 移动通信系统 起源于九十年代初期，主要采用的是数字的时分多址( t d m a ) 技术和码分多 址( c d m a ) 技术，双工技术为f d d 实现移动通信的数字化，是当前移动通信发 展的主流。它使l g 的系统具有数字传输的种种优点，克服了l g 的弱点，话音 质量保密性能获得很大提高，可进行省内、省际自动漫游。但无法实现移动的多 媒体业务和全球漫游。2 g 包括有数字蜂窝、高速无线寻呼、数字无绳电话和数 字集群等。 3 第三代( 3 g ) 移动通信系统 以i m t - 2 0 0 0 和u m t s 为代表，目前普遍的设想是宽带多媒体蜂窝系统。它 可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，其传输速率高达2 m b i “s ， 带宽可达5 m h z 以上，集合了蜂窝、无绳、寻呼、集群、移动数据、移动卫星、 空中和海上等各类移动通信系统的功能。3 g 是2 g 的演进和发展，不是重新建 设一个移动网；全球覆盖，全球无缝漫游，全球使用共同频率，但不要求系统在 无线传输设备及网络内部技术完全一致，而要求在网络接口、互通及业务能力方 面的统一或协调；具有多媒体功能，不仅能接受和发送话音、数据信息，而且还 能接收和发送静、动态图像及其他数据业务。 1 1 2 第四代( 4 g ) 移动通信技术研究 目前用户对移动通信系统的速率要求越来越高，而3 g 系统实际所能提供的 最高速率也只有3 8 4 k b p s ( 虽然标称最高速率为2 m b p s ) ，不能满足用户的实际需 求。因此3 g 系统虽还没大规模投入商用，4 g 系统的研究和开发已在全球展开。 4 g 的概念2 l 可称为广带( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，具有非对称的超过 第1 章绪论 2 m b s 的数据传输能力。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带 系统和互操作的广播网络。 超3 g ( b e y o n d3 g ) 或4 g 系统与原有的数字移动通信系统相比，应具有更高 的数据率、更好的业务质量( q o s ) 、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的 智能性、更高的传输质量、更高的灵活性。主要要求包括： ( 1 ) 支持全i p 高速分组数据传输，数据速率为数十m b i t s 甚至数百m b i “s ； ( 2 ) 支持高的终端移动性，移动速度高达几百k m ，i l ： ( 3 ) 支持高的传输质量，数据业务的误码率低于1 0 “； ( 4 ) 提供高的频谱利用率和功率效率，发射功率降低1 0 d b 以上； ( 5 ) 能够有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方 面大动态范围的变化。 从技术层面来看，3 g 系统主要是以c d m a 为核心技术。但c d m a 技术在 高速数据传送时信号间干扰会随之增大，硬件的复杂程度也迅速增加，而用户间 的干扰又会减少系统容量。正交频分复用( o f d m ，o n 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 i e x i n g ) 技术能够克服c d m a 中出现的上述问题，因而在3 g 以后的移动 通信系统中，o f d m 技术倍受瞩目。我们的研究工作就将在o f d m 系统中展开。 1 2 课题的主要任务与意义 对无线信道估计问题的研究，是移动通信的经典课题，又是未来发展的新兴 课题。 无线信道是移动通信系统必不可少的组成部分。如前所述，无线信道具有很 犬的随机性，电波在自由空间传播会产生损耗和发生“阴影效应”，信号经过多 条路径在接收端相互叠加会产生电平快衰落。甚至移动台的速度都会对信号电平 的衰落产生影响。这些将在下章详细阐述。因而，无线传播环境是一种随时间、 环境等外部因素而变化的传播环境。 无论是直接获取信道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) ，还是实现 和应用解凋、分集、均衡或是自适应等技术，都需要在有效估计信道参数的基础 二进行。通过信道估计算法，接收端可以得到信道的冲激响应；信道估计可以帮 助获得相关解调需要的信号信息；分集技术利用信道估计，实现与接收信号最佳 匹配的接收机：自适应的信道均衡器利用信道估计来对抗符号间于扰( i s r ， 中山大学硕士学位论文 i n t e r - s v m b o li n t e r f e r e n c e ) 的影响等等。能否较好地估计恢复信道信息，是衡量系 统性能的一项重要指标。 第三代和第四代移动通信系统的目标之一是向高速移动用户提供宽带数据 接入，因而未来移动通信系统中必将同时存在多个运动状态各不相同的移动用 户。当这些用户经上行链路向基站发送信号时，各路信号经过的是变化速率不一 的时变信道，如何在估计信道的基础上，检测各信道变化的快慢，从而实现实时 识别和判断慢速或快速移动的用户，针对不同情况合理调配信息资源，反过来更 加有效地指导估计c s i 或进行自适应传输，将是很有意义的一项工作。 因此，我们把如何估计时变信道状态信息这一值得探究的课题，作为本文主 要的研究内容。 1 3 论文的主要工作及内容安排 本文以o f d m 系统中的信道估计技术为基础，提出对时变信道变化状态信 息的检测的方法，经过仿真验证方法的可靠性，由实验获得的一系列数据结果， 可为后面实现自适应传输等工作提供依据。 具体工作包括有：对现有的信道估计技术进行分析比较，并选择适合本论文 的信道估计方法：寻找与信道变化量相比的参量，来表征实际信道中所有子载波 的平均变化信息；通过误码率比例荫线来确立各参量与实际信道变化之间的对应 关系，进而达到检测信道变化状态的目的。 论文共分五章，结构安排如下： 第二章讨论了无线信道的主要特征，并对其建模方法进行了分析，包括本文 采用的时变多径信道的仿真模型。 第三章介绍了o f d m 系统的基本原理和组成模型，最后说明了o f d m 的特 点及应用情况。此章为论文提供理论基础。 第四章首先深入分析了现有的针对o f d m 信道估计技术的研究，通过仿真 比较衡量块、梳状导频下各种方法的优劣；随后重点提出检测时变信道状态信息 的方法，并由实验结果验证方法的可行性和准确性。 第五章对全文的工作进行总结，提出r 未来研究工作有待拓展的方面。 4 第2 章无线移动信道的特征与建模 第2 章无线移动信道的特征与建模 任何一个通信系统，信道足必不可少的组成部分。无线信道无疑又是其中最 为复杂的一种。本章将重点介绍无线信道的各种衰落特性，并给出无线信道的仿 真模型。 2 1 无线信道的传播特征 在理想的条件下，接收信号就是沿唯一路径传播的发射信号得到的。但在实 际信道中，信号往往要经历各种衰落，沿不同长度的不同路径传播之后在接收端 相互叠加。另外由于移动台的运动，无线信道还会呈现出时变性。了解这些信道 特性，对在频谱资源有限的信道中，尽可能高质量、大容量传输信息具有积极指 导作用。 移动通信系统中主要有两类衰落3 1 。由于在大范围内移动而引起的平均信号 能量的减少或是路径损耗，称为大尺度( l a 唱e s c a l e ) 衰落；小尺度( s m a l l s c a l e ) 衰落则是指信号的幅值、相位的动态变化，这种变化是由于收发端之间空间位置 处理的微小变化( 小至半个波睦) 引起的。实际的无线信道衰落因子可表示为 ，7 0 ) = f o ) f o ) ( 2 1 ) 式中，_ 7 ( f ) 表示信道的衰落因子，( f ) 表示小尺度衰落，f ( f ) 表示大尺度衰落。 2 1 1 大尺度衰落 通常把均匀无损耗的无限大空间视为自由空间，但这只是一种理想情况。现 实的电波传播媒质是有损耗的且是不均匀的，电波在传播过程中，功率也会随着 传播距离的增加而减小。这种现象产生的原因是收发端之间地表轮廓的影响，如 高山、森林、建筑群等。 自由空间基本传输损耗乞，指的是自由空间中两个理想点源天线( 增益系数 q = l 的天线) 之间的传输损耗。它表示在自由空间中，增益系数g = l 的发射天 线输入功率弓与增益系数g 。= l 的接收天线输出功率只之比，即 乙，= 0 ，晶= ( 4 删五) 2( 2 2 ) 中山大学硕士学位论文 其中c f 是收发端的距离，五是传输信号的波长。 以分贝表示为 铲s 鲁一z o 蜮等， ，a ， 或 乙，= 3 2 ，4 5 + 2 0 l g ，( m 日z ) + 2 0 l g d ( m ) ( 2 3 b ) 自由空间是理想介质，不会吸收电磁能量。这里讲的自由空间损耗k ，足 指球面波在传播过程中，随着传播距离增大，电磁波能量自然扩散引起的，反映 了球面波扩散损耗，其大小只与频率，和距离d 有关。 2 1 2 小尺度衰落 小尺度衰落是由无线信道的多径( m u l t i p a t h ) 性引起的，即由于同一传输信号 沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉引起的。三 个主要效应表现为f 4 】： 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。 多径传播时延引起的扩展。 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f c s ) 引起的随 机频率调制。 i 多径衰落 无线移动信道的主要特征是多径传播。由于电波通过各个路径的距离不同， 各反射波的时延、衰落和相位都不相同，在接收端叠加时，会造成同相增加，异 相减小的现象。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。如图2 1 所示。 6 图2 一l 无线信号的多径传播 从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰减。 第2 章无线移动信道的特征与建模 从时间上来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。例如从基站 发送一个窄脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，还包含它的各个时延信号， 这样就造成了信道的时间色散性( t i r n ed i s p e r s i o n ) 。 信道的时间色散特性在频域上可用信道的相干带宽来描述。相干带宽是指一 特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。在实际中，常 用最大多径时延。的倒数来规定相关带宽统翻，即 口：上( 2 4 ) 。 不 多径特性引起的时间色散，导致发送的信号产生非频率选择性( 平坦) 衰落或 频率选择性衰落。见表2 1 。 表2 1 基于多径时延扩展的衰落效应 平坦衰落频率选择性衰落 信号带宽( 相干带宽信号带宽 相干带宽 时延扩展 符号周期 2 多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效 应，这是任何波动过程都具有的特性。见图2 2 。 b s ( b 丛es t a n 叽】 图2 2 多普勒效应示意圈 当接收机以速度v 移动，并且其运动方向和入射波的夹角为臼，此时的多普 勒频移由下式给出： 厶= c o s 目= 盟c o s 口：，mc o s 矽 ( 2 5 ) c 其中五为载波的波长，正表示载波频率，c 表示光速，卅是最大多普勒频移。 l j l 大学硕士学位论文 由移动台与基站之间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起 的多普勒频移，会造成信道的频率色散( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 的时变特性。在时 域描述频率色散，可用相干时间r 表示，它指的是一段时间间隔，在此间隔内， 两个到达信号有很强的幅度相关性。t 与厶成反比，即 t 2 去 e ， 多普勒扩展引起频率色散，导致信号产生时间选择性衰落( 快衰落) 和非时间 选择性衰落( 慢衰落) 。见表2 2 。 表2 2 基于多普勒扩展的衰落效应 快衰落慢衰落 高多普勒频移低多普勒频移 相干时间 符号周期相干时间) 符号周期 信道变化快于基带信号变化信道变化慢于基带信号变化 2 2 移动信道的建模 2 2 1 衰落信道的统计模型吲 在一个平坦衰落信道中，接收信号y ( f ) 等于发送信号z ( f ) 信号乘上一个时变 的衰减口( f ) ，即衰落，再加上一个噪声凡( f ) 。 y o ) = 甜o ) 上0 ) + 凡( f ) ( 2 7 ) 实验和理论分析都表明，它通常服从r a y i e i 曲分布： p d f ( 咖芋e x 。l - 等i 0 似o o ( 2 s ， 盯。z 盯。l 这里，矿是高斯过程的方差。它成立的条件是存在大量统计独立的散射体，并且 没有一个散射体占主导地位。如果有一个散射体占主导地位，如存在视距( l o s ) 分量，则盯服从r i c e 分布，其概率密度函数如下： 叫c 咖暑。卜等h 。甜 。 。， 这里，n ( 工) 是第一类零阶修正贝塞尔曲线。其中，参数a 是占主导地位分量的信 号幅度；r i c e 参数k ，被定义为a 2 ，( 2 矿) 。 第2 章无线移动信道的特征与建模 另一种应用比较多的幅度分布是n a k a g a m i m 分布， 出来的，其概率密度函数如下： 溅c 咖高 小2 “唧( 一引 它是从实际测量中总结 ( 2 一l o ) 这里口0 ，l 1 ，2 。对于m = l ，此分布退化为r a y i e i 曲分布。参数 卅= e 2 ( 上：) 妇r ( 工2 ) ，n = e ( 上3 ) 为上的二阶矩。 移动台的运动将会导致接收信号的频率发生偏移( 多普勒效应) 。如果发射信 号是一个频率为，0 的正弦波，则接收信号在一矗v c ， 厶v c 内的频谱是： y ( ，) “ p d f ，( 力g ( + p d f ，( 一 g ( 一 】 ( 2 1 1 ) 而在其它地方为零。这里v 是运动的速度，y 是入射波与运动方向的夹角，g ( 力 是天线的增益。 确荆曩蒋包蟮图 橱腩 jw i l嗡 8 嘲 1 目抽瑚 图2 3 r a y l e i g h 衰落包络图2 4 多普勒功率谱 图2 3 给山了一个r a y l e i 曲分布的信号的包络。图2 4 示意的是信号受多普 勒衰落影响的功率谱密度。在移动信道中，r a y l e i 曲分布是常见的用于描述平坦 衰落信号或独立多径分量接收包络统汁时变特性的一种分布类型，下小节将详细 讨论。 2 2 2 多径r a y i e i g h 信道模型及仿真 广泛使用的r a y i e 培h 衰落统计模型是c l a r k e 7 1 模型和s u z u k i 【8 1 模型，其中前 者用于描述小尺度衰落，后者综合考虑大尺度衰落和小尺度衰落，这里不再详尽 中山大学硕士学位论文 讨论。 仿真产生r a y i e i 曲衰落信道的模型，总的来说可以分成统计的和确定性的 两类。统计模型是基于白化的高斯随机过程的功率谱密度成形滤波的方法；确定 性模型则通过适当的选择有限的正弦曲线来近似产生高斯过程，因其使用比较简 单，应用十分普遍。见图2 5 。输出信号r ( f ) 可以表示为输入信号的l 个延迟 j ( 卜) 的叠加。这里假设= o ，因为系统性能仅仅取决于时延差= f 一“。 测试信号j ( f ) 图2 5时变频率选择性衰落信道的确定模型 r “) j a k e s 仿真器1 0 1 是用以产生r a y l e i 曲信道的较常用的确定性仿真器，以下将 洋细介绍这种建立在正弦波累加的基础上的方法。 由经典j a k e s 模型，得到归一化的基带r a y l e i 曲过程： g ( f ) = g 。( ，) + j 占。( f ) ( 2 一1 2 a ) 删2 专著 0 s ( q h ( 2 _ 1 2 ” 洲2 赤善铀s ( 娥h 唬) ( 2 - 1 2 c ) 其中对任意h ，= 4 m + 2 ，峨= 2 厅厶，厶为最大多普勒频移，纯= 0 ，且 2 c o s 屈， n = l ，2 ，吖 2 压c 。s 成， n ：m + l 汜。3 们 o 兰! 里至垡堡垫堕堕塑竺堡皇堡坚一 f 2 s i n 孱， 以2 1 压。i n 鼠， p 。： 万n m 万 4 n = 1 2 m n = m + l n = 【2 ，m n = 吖+ l n = i 2 m n = m + i ( 2 1 3 b ) ( 2 一1 3 c ) ( 2 一1 3 d ) 当识不为零，而是取 0 ，2 州内均匀分布的随机变量时，就可以通过对j a k e s 仿真器的改进“1 ，来解决其信号不是广义平稳随机过程的问题。 j a k e s 进一步扩展上述方法，用不相关的衰落生成l 个独立多径包络。在原 来第f 径中的多普勒相移成。的基础上，加上一个附加相移以；，成为新的多普勒 相移屈，+ 以，且保持其他参数不变。 为了生成不相关波形，考虑下面的屁，和心，的选取情况 屈f = 石n ( m + 1 ) 靠f = 2 万( f 1 ) 以( 肘+ 1 ) f = i ，ln = l ，2 ，m ( 2 一1 4 ) 记 m 嘣f ) = g 。：( f ) ( 2 1 5 ) h = l m 以f ) = ( f ) ( 2 一1 6 ) 所以参数屈；和以，满足( 2 1 2 ) 式的情况下 g “( f ) = 2 c o s 心f c o s ( 鼠f 2 ) c 。s 酿f 一2s i n 鸭f c o s ( 屈f 2 ) s i n 最f ( 2 一1 7 a ) g “( f ) = 2 c o s 峨f s l n ( 成f ，2 ) c o s 只一2 s i n 心f s l n ( 成f ，2 ) s i n 眈f ( 2 1 7 b ) 式中，最，= 成，+ 。 我们在本文中采用的信道模型就是基于经典的j a k e s 仿真器产生的，且经过 改进性能更佳m 1 1 3 】。要求产生的信道不仅是多径而且是时变的，即采用j a k e s 模 型产生l 个时变的抽头，抽头系数都是满足复高斯随机过程且统计独立的。 塑 s ， 蛾 ，。，、1 l l 峨 中ljj 大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章首先分析了无线信道的传播特征( 大、小尺度衰落) ，在此基础上提出了 对移动信道的建模方案。本文所使用的多径时变信道也是基于其中的j a k e s 模型 产生的。 第3 章0 f d m 系统简介 第3 章o f d m 系统简介 o f d m 由于其频谱利用率高、成本低等原因，得到了越来越多的应用，预 计第三代以后的主流技术将是o f d m 技术。本章将对o f d m 系统的基本原理、 系统结构及特点等进行具体分析。 3 1o f d m 基本原理 o f d m 技术是多载波调的一种，与传统的频分复用( f d m ，f r e q u e n c vd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术十分相似。与f d m 基本原理相同，o f d m 把高速的数据流通 过串并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输。 不同之处在于，o f d m 技术更好地利用了控制方法使频谱利用率有所提高， 见图3 一l 。它各子载波间相互正交，允许调制后的频谱有部分重叠，并采用循环 前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 作为保护间隔，这样既能提高频谱利用率，又能避免载 波间干扰( i c i ，i n t e r - c a r r i e r i n t e 心r e n c e ) 。 厂j ，、。r r r r 厂 fffff频率 i l j l l 1 l l 1 l 1 一 ( a ) f d m ( b ) 0 f d m 图3 1f d m 与o f d m 带宽利用率的比较 3 2 o f d m 系统模型 图3 2 基带o f d m 系统 中山大学硕十学位论文 基于导频的信道估计的o f d m 系统如图3 2 所示。以下将基于此图分别介 绍各块，插入导频和信道估计的部分暂不考虑，在下章再详细说明。 1 串并转换 在发射端，高速的串行数据流按调制模式( p a m 、q p s k 或m q a m 等) 转换 为所需的并行的低速o f d m 比特流【l ，然后分别用子载波进行调制，即将它们 映射为子载波的幅度和相位。不同的子载波采用的调制方式也可以不同。这样多 个符号被同时传输，减少了在串行系统中出现的问题。 呐也享 图3 3 给出了串一并两种通信方式。假设传输整串符号需要四秒，那么串行 时每个符号的周期是一秒。并行时四个数据符号同时传输，每个符号的周期都变 为四秒，符号速率降为原来的四分之一。这样就可以有效减少【s i 。 2 逆傅里叶变换 0 f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替。按某一特定周期或 平均地在所有子载波的数据序列中插入导频后，把数据序列( x ( ) 经r d f t 转换 为时域信号( x ( h ) ： 一i 上m ) = ，d f 丁( x ( 七) = x ( 七) p 朋4 h 7 ” n = o ，l ，2 ，一i( 3 1 ) k = 0 其中为每个o f d m 符号的子载波的个数。每个d f t 输出的数据符号x ( h ) 都 是由子载波信号经过叠加生成的，即对连续的多个经过凋制的子载波的叠加信号 进行抽样得到的。 为提高运算的速度，可以采用更加方便快捷的i f f t ，f f t 。与i d f t 相比，i f f t 可以显著地降低运算的复杂度。当子载波数量非常大的时候，还可以进一步采用 基1 4 i f f t 算法来实现傅里叶变换。 3 保护间隔 为最大限度地消除i s i 而插入的保护间隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) 长度为j v ， 1 4 第3 章o f d m 系统简介 一般要大于信道中的最大时延扩展。而且通常将每个o f d m 符号的后，时间中 的样点复制到符号前，形成循环前缀( c p ) 来作为g i ，可有效避免【c i 。如图3 4 所示。 ，( h ) ：j 。+ ”i “2 一s 一p + 。- ”一1 ( 3 2 ) i 工( 厅) ，n = 0 ，i ，一l 多一、 工 + ：一 0 f d m 符号长度 g i 。一一 图3 _ 4 加入保护间隔( g r ) 的o f d m 符号 4 信道 传输信号- ( n ) 将经过一个时变频率选择性衰落信道并加上噪声。接收信号 由下式给出 y ，( n ) 2 ( n ) ( n ) + w ( n ) ( 3 3 ) 其中w ( n ) 为加性高斯白噪声( a w g n ) ， ( n ) 为信道冲激响应，可表示为： ll ( ，z ) = 2 引”岛n 占( 五一t ) o n 一l ( 3 4 ) 滢n 其中l 是传播路径数，鼻是第f 条路径的复冲激响应，厶和t 分别是第f 条路径 的多普勒频移和延时，7 为采样周期。 5 接收机 经过了，d 转换和低通滤波器之后，接收端基本上是发射端的逆过程。去 掉保护间隔： y ( n ) = y ，( n + 月) n = o ，1 ，一l ( 3 5 ) 进行i f f t 变换，得到： y ( ) = ”丁( y ( n ) 古y ( n ) p 叫2 “ ( 3 6 ) zy ”= 0 y ( 七) 与h ( t ) = 印7 ( ( h ) 的关系如下： ，( 女) = x ( ) h ( ) + ( )( 3 7 ) 其中( ) = f f 丁( w ) 中山大学硕：l 学位论文 3 3o f d m 系统的特点和应用1 4 】 o f d m 技术得到广泛应用的原因在于存在如下主要优点： ( 1 ) 可以有效对抗多径传播造成的i s i ，减小了接收机内均衡的复杂度； ( 2 ) 各子载波间存在正交性mj ，允许子信道频谱相互重叠，与常规的f d m 系统相比，可以最大限度地利用频谱资源： ( 3 ) 可通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高 的子信道，从而提高系统性能： ( 4 ) o f d m 系统可以有效对抗窄带干扰，因为这种干扰只能影响一小部分子 载波； ( 5 ) 基于d f t 和i d f t 的o f d m 有快速算法，采用f f t 来实现调制和解调， 易用d s p 实现。 0 f d m 系统主要缺点有： ( 1 ) 易受频率偏差的影响，导致子信道间的信号相互干扰： ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比( p a p r ，p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) ，对 放大器的线性要求很高； ( 3 ) 插入保护间隔降低了约1 0 的传输有效码率； ( 4 ) o f d m 自适应跳频技术会相应增加发射机和接收机的复杂度。 作为未来宽带无线通信系统的主流技术他1 ，o f d m 在众多的国际标准中得 到了采纳，它已经应用于： 数字用户环( x d s l ) 2 l | 数字音频广播( d a b ) 和地面数字视频广播( d v b t ) 吲 蜂窝无线网( i d e n ，窄带o f d m ) 无线局域网( i e e e 8 0 2 1 l a 和e t s i b r a nh i d e r l a n 2 ) 固定无线接入( i e e e 8 0 2 1 6 a ) 3 4 本章小结 本章详细介绍本文的研究基础o f d m 的工作原理和应用模型，可以获 得对整个o f d m 系统工作流程的全面认识，最后简略说明了o f d m 系统的优缺 点及应用。本章为下章的工作奠定了理论基础和依据。 第4 章0 f d m 系统c s i 的估计与检测 第4 章0 f d m 系统c s i 的估计与检测 本章作为全文的核心部分，首先分析o f d m 系统中常用的信道估计方法并 给出仿真比较，接着重点提出检测信道状态信息变化的方法，通过寻找合适的评 价时变信道变化的参量，来衡量信道的变化状态，为将来实现自适应传输等提供 可靠的c s i 。 4 1 信道估计的基本方法 信道估计可以定义为描述物理信道对输入信号的影响而进行定性研究的过 程。我们在建立信道模型后，需要根据实际信道的变化来更新模型的参数，可以 通过选择合适的信道估计算法，使估计混差最小来实现。 信道估计算法主要有以下三类嘲： 非盲估计 非盲估计利用发端和收端都已知的导频( 口i l o t ) 符号进行信道估计2 5 1 。它的一 个好处在于其应用广泛，几乎可以用于所有的无线通信系统；缺点是导频占用了 信息比特，降低了信道传输的有效性，浪费了带宽。 盲估计 盲估计算法不使用导频信息，通过使用相应信息处理技术获得信道的估计 值。它的实现需要利用传输数据的内在的数学信息。与传统的非盲信道估计技术 相比，节约了带宽，提高了系统的传输效率。但运算量太大，收敛速度较慢，灵 活性很差。 半盲估计 半盲信道估计算法在数据传输效率和收敛速度之间做一个折衷，即采用较少 的训练序列来获得信道的信息。这样就可以在比较快的收敛速度下保证比较好的 性能，但仍需要一定的运算量。 在基于o f d m 的新一代无线通信系统中，由于传输效率较高，并且需要使 用相干检测技术获得较高的性能，通常使用非盲估计来获得较好的估计效果。因 而基于导频的信道估计仍是当今大多数无线系统的实用方案。本论文讨论的 o f d m 系统的信道估计问题也只限于非盲的算法。 !坐查兰竺主主堡堡兰一 4 2基于导频的o f d m 的信道估计 基于导频的o f d m 的非盲估计算法的基本过程足：在发送端适当位置插入 导频，然后在接收端利用某种算法恢复出导频位置的信道信息，再使用某种处理 手段来获得所有时段的信道信息。 4 2 1 导频的选择 导频的选择是实现基于导频的信道估计的基础。导频的数量如果过多，则会 降低数据传输的效率；数量太少，又不能完全恢复出所有的信道参数。导频的位 置也与估值的准确性密切相关，特别是各种算法的实现都对导频的位置有特别要 求。 我们先来看【2 6 忡推导得到的两个结论： ( 1 ) 在没有噪声的条件下，信道长度为l ，为总子载波数，则任何个导 频就可正确地恢复出信道状态信息； ( 2 ) 在噪声为a w g n 时，利用m m s e 估计信道，可以得到最优导频位置为 f f + 争f + 半 f 叭譬_ l 积分布。 虽然这两个定理有一定的条件限制，但对于导频数量和位置的选择还是提供 了一定的指导和依据。 图4 一i 给出了几种导频分布图 2 7 】，r 表示时间，为频率。( a ) 图给出的是块 状导频分布图。导频周期性地在时域内发送，一次可以估计所有子载波位置的信 道信息。( b ) 图是梳状分布的导频图。导频以一定频率间隔在时间轴上连续发送， 一个符号估计一次。( c ) 图的格形分布导频，在时间和频率e 都均匀分布，需要 在二维插值来估计所有信道信息。( d ) 图的导频呈菱形分布，导频频域位鼍逐次 偏移，以获得不同子载波传输函数采样值。 ( a ) 块状( b ) 梳状 o l r ) o o o oc，o一， o q x o o 02i o口rv8一oo口oc，o。oooc子一 il l l 一 - 一oq，蓉一 o o olgooooooooo。ooo oqxv8ooo一 量z l l i 第4 誊o f d m 系统c s r 的估计与捡测 ( c ) 格形 f ( d ) 菱形 图4 1o f d m 导频结构图 ( 黑体圆圈代表导频，空心圆圈代表数据) 不难看出，针对不同的信道，可以选择合适的导频数量和位置。总的来说在 某种意义上可以认为它们是均匀分布的。块、梳状导频只适用于某种特定情况， 在其他条件下性能可能快速下降。格形和菱形导频综合考虑二者的优劣，在信道 估计性能与频谱效率之间做一个折衷。但我们仍以最为常见的块、梳状导频的信 道估计的研究为基础，因为块、梳状导频分布相当于是仅在时域和频域一维方向 进行分析的特例。 以下将详细介绍慢衰和快衰信道下的信道估计，分别埘应块状导频和梳状导 频，最后简要分析散布导频的信道估计情况。需要说明的是，这里的快慢是根据 信道与信号变化快慢的相对关系而确定的。o f d m 符号块在一帧的时间内保持 准静止，则称之为慢衰信道；反之块与块之间在一帧时间内发生显著变化，则称 之为快衰信道。 4 2 2 块状导频的信道估计 块状导频可以估计出信道的所有频域信息，且由导频符号作出的信道估计将 作为估计块内其它符号信道信息的基础。如果在一块内信道视为准静止的，则无 估计差错：反之如果信道衰落变快，则估计误差也随之增大。因此这种导频分布 方法适用于慢衰信道，对频率选择性不是很敏感，一般基于最小二乘( l s ) 2 8 1 和 最小平方( m m s e ) 估计。 我们把式( 3 7 ) 写为矩阵的形式 y = h 十w ( 4 1 ) 其中 x = 以d g ( x ( 0 ) x ( 1 ) x ( 一l ) 中山大学硕士学位论文 w = ( 0 ) ( 1 ) ( ，一1 ) 1 7 y = y ( o ) r ( 1 ) ，y ( 一1 ) ， h = 【h ( 0 ) h ( 1 ) h ( 一1 ) 】2 = d f 7 j ( h w 伊 暇。1 f = j ；j l 峨o 峨叫。 嘭2 专e 1 2 州“ ( 4 2 ) 信道的l s 估计就是使误差的平方根( y x f h ) “( y x f h ) 最小删。令代价 函数，= ( y x f h ) ”( y x f h ) ，对其求导，并令结果为零，则有 譬= 一2 f “x “y + 2 f h x “x f h = o ( 4 3 ) 曲 由h = f h ，可得 a = x y ( 4 - 4 ) m m s e 估计就是要求估计量6 的均方误差最小，即( 【h 一6 九h 一6 最小， 即要求均方误差的迹t ( e ( h 一矗】【h 一矗】7 最小。如果时域信道向量h 是高斯的且 与信道噪声w 非相关，由h = f h ，我们可以得到信道的m m s e 估计： n = f r h y r ：。y ( 4 5 ) 其中r h y = e ( h y ” _ r h 。f “x “，r y y = ( y y “ i x f r h h f “x “+ 盯2 i 分别是h 和 y 之间的互协方差阵和y 的自协方差阵。r 。是h 的自协方差矩阵，盯2 为噪声的 方差e ( 1 ( ) 2 。 由上述表达式不难看出，m m s e 铲i 计和l s 估计部有缺点。m m s e 估计器的 实现较复杂，需要计算一个矩阵的逆；而使用l s 估计器可能存在较大的均方误 差。后面的梳状导频信