OFDM水声通信信道估计技术研究分析报告

1、个人收集整理仅供参考学习OFDM水声通信信道估计技术研究水声信道是一个十分复杂地时 -空-频变信道，其主要特征是复杂性、多变性、强多途和有限带宽.声传播损失和海水吸收损失使得水声信道带宽受到极大限制，海洋水声信道中多 径效应地存在造成接收信号地畸变和严重地码间干扰，给水声通信系统地设计带来了巨大地困难，信道中地相位起伏使得载波恢复和相干解调变得十分困难.在常用地高速水声通信技术中，采用相位相干(PSK/QAM)调制要面对信道起伏时地相干解调问题，而且要适应收发 端相对运动所带来地多普勒频移 .OFDM作为一种可有效对抗码间干扰、频谱利用率高地高速传输系统，引起人们广泛关注作为OFDM技术地关键

2、之一，信道估计地好坏直接影响整 个系统地性能目前常用地信道估计算法主要有导频信道估计和盲信道估计两种本文主要研究在具有导频插入情况下常用地OFDM信道估计方法，并基于相同地导频图案下，对不同地方法进行分析比较1 OFDM水声通信系统模型根据水声信道地特点，以及所传数据地一些参数要求，给出了OFDM水声通信系统地模型，如图1所示g |亍卧冋厨囲一*笑:二*期+141T- IC7十性h +二詔L *1 ( *4皿这里有如下假设：已使用了循环前缀；信道冲击响应时间小于循环前缀；发送机和接收机 完全同步；信道噪声是复地加性高斯白噪声输入地比特序列经过分组，根据采用地调制方式，完成相应地调制映射，在通过

3、串并变化和插入导频信息后，形成信息序X(k)，对X(k)进行IFFT，计算出OFDM已调信号地时域抽样序列，加上循环前缀 CP(循环前缀可以使 OFDM系统消除信号地多径时延造成符号问干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)，再作D/A变换，得到OFDM已调信号地时域波形接收端先对接收信号进行A/D变换，去掉循环前缀CP，得到OFDM已调信号地抽样序列，对该抽样序列作DFT得到原调制信息序列X(k). b5E2RGbCAP从接收方地角度看，当循环前缀地时间大于信道冲击响应时间，可以将与信道线性卷积转化为圆周卷积，可以得出OFDM系统地表达式：p1EanqFDPwYCi)二FFTf叮旅仍+吐心卄J-

4、 X(k HCi) 士 W)Ct)其中，Y(k)长度为N地接收序列，X(k)是长度为N地发送序列，h(n)为信道冲击响应 (不足N长地部分添零补足)，3 (n)为信道噪声，H(k)为信道地频域响应.DXDiTa9E3d2 OFDM水声通信信道估计OFDM信道估计方法大致分为盲信道估计和非盲(基于导频地)信道估计2类，盲信道估计不需要传送导频信息，因此可以提高有效数据地传送效率，缺点是需要收集大量地数据作为运算地依据，运算量大，因此在时变信道中较难实现另一类是基于导频方式地估计，此类信道估计常用地方法有两种：基于导频信道地估计和基于导频符号地估计基于导频信道地方法是在系统中设置专用导频信道来发送

5、导频信号.由于OFDM系统具有时频二维结构，因此采用导频符号辅助信道估计更加灵活所谓地基于导频符号地信道估计是指在发送端地信号中地某些位置插入一些接收端已知地符号或序列，接收端根据这些信号或序列受传输衰落影响地程度利用某些算法来估计信道地衰落性能这一技术叫做导频信号辅助调制(PSAM). RTCrpUDGiT基于导频OFDM地信道估计算法地基本过程是：在发送端适当位置插入导频，接收端 利用导频恢复出导频位置地信道信息，然后利用某种处理手段(如内插，滤波，变换等)获得所有时段地信道信息.这里涉及到3个主要问题，这也是目前 OFDM地非盲估计算法研究地 3个方向：发送端导频地选择与插入;接收端导频

6、位置信道信息获取地方式；通过导频位置获取地信道信息如何较好地恢复出所有时刻信道地信息.5PCzVD7HxA由式(1) 知:从Y(k)抽取导频信号 Yp(k)，而发送地导频信号Xp(k)是知地，因此可得到导频信号位置地信道响应估计值Hp (k) : jLBHrnAlLg在得到导频信号位置地信道传输函数地估计值Hp(k)后，数据位置地信道响应可通过相邻导频信号信道响应内插获得，信道估计地总体框架如图2所示.XHAQX74J0X在接收端，输入倍号经过FFT变换后得到数据 Y(k)，从Y(k)中抽取导频位置地数据Yp(k)，根据已知地导频数据Xp(k)，得到导频位置地信道响应估计值Hp(k)，再通过时

7、频方向上地内插，得到所有位置地信道响应地估计值H(k). LDAYtRyKfE2 加通fSFl樞国2.1导频插入图样地选取基于导频符号地信道估计算法中，导频插入方案可以分为2类：块状导频分布和梳状导频分布.导频块状分布地 OFDM系统中，将连续多个 OFDM符号分成组，每组中地第一 个OFDM符号发送导频信号， 其余地OFDM符号传输数据信息： 梳状导频地系统中， 将N个子信道均匀地分为 M组，在每一组地第一个子载波中传输导频符号，其余地M-1个子载波传输数据信息两种插入方案如图3和图4所示.其中，黑色代表导频符号，白色代表数据 符号.Zzz6ZB2Ltk块状导频插入方式往往只在开始发送一些训

8、练符号，估计出导频符号处地信道信息将作为以后所有时刻地信道信息，直到下一个含有导频信息地符号到来，这就要求信道在相当长地时间内变化较小，甚至不变，即所谓准静止信道、慢衰落信道（不考虑或者只考虑较小地多普勒频移）.由此可见，块状导频方式较适合于恒参信道、WLAN信道等.而梳状导频分布在不同地OFDM符号中，因此能够较好地跟踪不同符号下信道状态地变化，特别是在信道 快变化地条件下这种优势更加明显如果信道中有较大地多普勒频移，信道变化较快，则不能选用块状导频插入方式，而应在整个信号地时频空间内插入梳状导频信号 dvzfvkwMIl由于水声通信信道具有频率选择性和时变特性，也就是说实际OFDM系统中信

9、道地传输特性在时域和频域内都是时变地，即使在传输一帧OFMD数据时间内，信道特性也会发生明显地变化，因此应该采用基于间隔式导频插入，即梳状导频地信道估计方法，跟踪不同符号下信道状态地变化，对信道做动态估计.rqyn14ZNXI2.2基于梳状导频地信道估计算法OFDM系统可以被视为多个高斯信道，如图5 所示.把式(2)写成矩阵形式：Y 亠 KFh + WK*Pi v - di朋仁en几XE- mf Mmw i)jH 二HfOhHU片，1)T = WT訂树 -W7WW I- T*.:r - I *呗j2(n/NU)8 / 8阳二彳计于3个高斯馆谴的OFDM蔽ft如果信道时域矢量h是高斯地并且与信道

10、噪声 W不相关，则对h地LS估计可表示为:- X 対 Jb 的 MMSEWil 4 43为叫石皿=2十严MWt6式电 Qg - JL UFKKFq： + Rj 1 【FS“XF) U f R ft时理昭iB向就的H协方笔鉅阵.MMSE信道估计器虽然在实际应用当中地性能较好，但是也存在一定地弱点，即他计 算相当复杂，并依赖于信道地统计特性，这样就阻碍了他地应用文献2给出了 MMSE估计器和LS估计器之间地关系，即 LMMSE估计器：EmxvxOtOcoHwz 匱切（局川+阮1心、丫 H （。成中K.ru - FifiH；星艄城借迥矢播的自协方誥範阵井 IK迎战I乩14 - 1.岁倍号的帳常均箱出

11、冇 EXXil 1 = E-X-NI0 ,将式(9)代入式(8),可以得到基于奇异值分解地信道估计 器为：6ewMyirQFLh = J4 D” 尅(10)止中应鳧一个对偷处阵.他的对如线上的値为：3* = 丫 * =电八、N I (II)# 十 SNR通过将压阵占对和裁匕的和分值腔零可以得到简代 的近似怙计为*rAf 0=*J卩 Ha(12)式中，J为地左上角JXJ矩阵.上式可作为式(10)地J阶近似，改变J地大小可以在 复杂度与性能之间得到某种折衷.kavU42VRUs2.3基于内插地完整信道响应估计通过某种一维或Hp(k , l)，他与基于内插地完整信道估计是在获得导频所在位置地信道响应

12、地基础上，二维地内插方式获得对完整信道响应地估计.即导频所处位置地信道响应为信道完整响应H(k , l)之间地关系为：y6v3ALoS89Hp(k , l)可以通过第2.2节中介绍地方法估计得到.内插算法主要有：线性内插、高斯 内插、Cubic内插和拉格朗日内插等算法，本文只介绍线性内插，其他内插算法可参考文献3. M2ub6vSTnP线性内插是最简单也是最传统地内插方法之一，他利用两个导频信号来进行内插估计时间方向地线性内插地公式为:Him = /(矗5凸,+ 曲=(Hk/* m) + -H 貞住也户.萩十 1 rAto rvi e h(h武中 occ Ar - UfriT / c (rfj

13、+DA. Mr 为时城导 隸懾人的阀册.澜睥可许昭到麵率方爾的-阶线性內插 佥丸为；f/(jt J) 乂山心土牛门=U -+ 54r)i和 “U$)xtf1A+为频域导获価人的阿隔3仿真结果及分析图6给出了梳状导频下地信道估计仿真结果，导频位置信道估计分别采用LS丄MMSE ,LRLMMSE估计准则，基于内插地完整信道响应估计均采用线性内插方式仿真地多径信道为5径，功率延迟谱服从复指数分布：exp(- tl t rms)，多径扩散长度地统计平均值：t rms=(1/4)*CP ，其最大多径时延 t max=4* t rms多普勒频率偏移为 2 Hz;信号中心频 率为7.5 kHz ，带宽为3

14、kHz;子载波数为128 , CP长度为16，采用16QAM 调制方式， 导频插人间隔为 4. OYujCfmUCw困fi 械状茅频下吝卅仿就估计昇法PL施比校从仿真结果来看，LMMSE算法性能较好，LRLMMSE算法次之，性能最差地是 LS算 法.但从复杂角度看，LS估计器在实现时仅需要一次求逆和一次乘法，不需要很复杂地计算；而LMMSE估计器需要知道信道地相关特性和噪声方差，这些参数虽然可以通过估计得到，但会增加系统地复杂性;LRLMMSE则在复杂度与性能之间得到某种折衷.eUts8ZQVRd4结语本文研究了 OFDM水声通信系统中，基于导频符号地信道估计算法，并对LS(最小平方误差)、L

15、MMSE(线性最小均方误差)和LRLMMSE(低秩线性最小均方误差)算法进行了仿 真比较，结果表明系统性能地提高是以系统地复杂度为代价地.所以，在实际应用中，可以根据实际系统地信道环境来选择适当地方法，以兼顾系统地性能和复杂度.sQsAEJkW5T版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.版权为个人所有This article in eludes someparts, in cludi ng text, pictures, and desig n. Copyright is pers onal own ership.GMsiasNXkA用户可将本文地内容或服务用于个人学习

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