張 輝， 吳玉成

（重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引言

正交頻分復(fù)用 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），因其頻譜利用率高以及抗多徑能力強(qiáng)，成為寬帶無線通信領(lǐng)域中一種非常有競爭力的物理層技術(shù)[1]。而信道估計是OFDM中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它直接影響了后續(xù)解調(diào)的準(zhǔn)確度。

IEEE802.16d的 Wireless MAN-OFDM模式是基于OFDM 的物理層規(guī)范[2]，協(xié)議中明確規(guī)定了前導(dǎo)訓(xùn)練序列（Preamble）和數(shù)據(jù)符號中導(dǎo)頻（Pilot）的插入圖案，所以其信道估計首選方案是基于數(shù)據(jù)輔助算法。文獻(xiàn)[3-5]中，提出了常見的基于前導(dǎo)訓(xùn)練序列和基于導(dǎo)頻估計插值的信道估計方法。而這兩種方法應(yīng)用到IEEE802.16d系統(tǒng)中均存在一定的缺點。由于前導(dǎo)訓(xùn)練序列僅在每幀開頭，從而無法實時跟蹤信道變化；此外當(dāng)信道相干帶寬大于導(dǎo)頻間隔時，導(dǎo)頻估計將不能準(zhǔn)確反映信道的變化。為解決以上問題，本文提出了一種前導(dǎo)和導(dǎo)頻聯(lián)合的信道估計算法，它能夠更有效的對抗頻率選擇性衰落和更大的多普勒頻移，改善系統(tǒng)的性能。

1 OFDM信道估計

本文提出的信道估計方法主要由3個部分組成：前導(dǎo)訓(xùn)練序列信道估計，判決式導(dǎo)頻信道估計以及前導(dǎo)和導(dǎo)頻聯(lián)合估計。

1.1 前導(dǎo)訓(xùn)練序列信道估計

基于802.16d的幀結(jié)構(gòu)，每幀開始前兩個OFDM符號用做訓(xùn)練序列進(jìn)行同步和信道估計，在本文算法中前導(dǎo)訓(xùn)練序列得到的信道估計結(jié)果作為算法的信道估計初始值preamble(k )。訓(xùn)練序列得到的LS信道估計[4]結(jié)果為：

其中802.16d的幀結(jié)構(gòu)有兩個前導(dǎo)訓(xùn)練序列，同式（1）得到分別為兩個前導(dǎo)的信道估計結(jié)果，為了減小噪聲對LS估計的影響，對兩個前導(dǎo)估計結(jié)果求平均得到前導(dǎo)信道估計結(jié)果：

1.2 判決式導(dǎo)頻信道估計

導(dǎo)頻信道估計先通過已知導(dǎo)頻得到導(dǎo)頻頻點處的信道值，再通過對其它頻點處內(nèi)插得到整個頻帶上的信道值。考慮到IEEE802.16d幀結(jié)構(gòu)中導(dǎo)頻圖案間隔較大，導(dǎo)頻估計不能準(zhǔn)確反映信道的變化，所以這里采用一種改進(jìn)的判決式導(dǎo)頻估計方法[6]。

設(shè)通過信道估計算法得到第i個符號的結(jié)果為得到均衡后的接收數(shù)據(jù)為：

如果dlen＜thlen，則認(rèn)為在該點處均衡后結(jié)果準(zhǔn)確，即信道估計值在該點足夠準(zhǔn)確，可以作為下一個符號的導(dǎo)頻估計結(jié)果。經(jīng)過門限判決可以得到多個估計準(zhǔn)確點，這里表示為為估計準(zhǔn)確點子載波標(biāo)號。

而下一個符號導(dǎo)頻點處，由LS估計算法得出的估計結(jié)果為：

其中，kp為導(dǎo)頻符號所在子載波標(biāo)號。

1.3 前導(dǎo)和導(dǎo)頻聯(lián)合估計

由于前導(dǎo)訓(xùn)練序列在整個頻段上分布，所以前導(dǎo)訓(xùn)練序列估計對抗頻率選擇性衰落的性能優(yōu)于導(dǎo)頻估計。而前導(dǎo)信道估計無法跟蹤信道在時間上的變化，所以實際系統(tǒng)中還需要利用導(dǎo)頻進(jìn)行補(bǔ)償，因此提出了一種前導(dǎo)和導(dǎo)頻聯(lián)合的信道估計，利用導(dǎo)頻估計對多普勒頻移不敏感來對前導(dǎo)估計進(jìn)行補(bǔ)償：

這里通過前后兩個符號導(dǎo)頻點處信道估計結(jié)果的差值來判斷信道隨時間變化快慢，即前后兩個符號導(dǎo)頻估計結(jié)果相差越大說明信道隨時間改變越大，因而步進(jìn)因子u通過下式得到：其中Np為導(dǎo)頻個數(shù)。通過步進(jìn)因子的計算就可以自適應(yīng)的根據(jù)信道變化快慢來控制前導(dǎo)估計和導(dǎo)頻估計所占的比重。

為了提高導(dǎo)頻估計的精度，同理可以聯(lián)合之前符號的導(dǎo)頻估計，最終的信道估計結(jié)果可以通過兩個簡單的遞歸濾波器得出：

2 仿真以及結(jié)果分析

本文的仿真參數(shù)是基于 IEEE802.16d Wireless MANOFDM物理層規(guī)范[2]的下行鏈路。系統(tǒng)帶寬3.25 MHz，采用QPSK調(diào)制方式，循環(huán)前綴長度為符號長度的 1/4，幀長4.5 ms，每幀55個OFDM符號，假設(shè)系統(tǒng)沒有同步和頻偏問題。仿真信道模型采用瑞利衰落信道模型，參數(shù)如表1所示。仿真結(jié)果均以誤碼率（BER）作為性能評估的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 仿真信道參數(shù)

下頁圖1為在信道參數(shù)1典型SUI3慢衰落信道下三種估計算法系統(tǒng)的誤碼性能，從圖1中可以看出，隨著信噪比逐漸加大前導(dǎo)估計的性能就越優(yōu)于導(dǎo)頻估計性能。分析其主要原因是 SUI3信道為慢衰落信道，不需要用導(dǎo)頻來對信道進(jìn)行跟蹤，并且前導(dǎo)中的頻點數(shù)遠(yuǎn)大于導(dǎo)頻數(shù)，因此前導(dǎo)的估計自然優(yōu)于導(dǎo)頻的估計。本文算法由于結(jié)合了前導(dǎo)和導(dǎo)頻估計結(jié)果，故估計結(jié)果會由導(dǎo)頻估計引入一定的誤差，估計效果略差于前導(dǎo)估計算法。

圖2給出了在信道參數(shù)2多徑時延不變多普勒頻移50 Hz情況下三種估計算法的誤碼性能。從圖中可以看出，由于多普勒頻移的影響，前導(dǎo)估計性能變差，而導(dǎo)頻估計性能與圖1基本不變，分析原因，這是因為前導(dǎo)估計只是在幀頭進(jìn)行估計，并且認(rèn)為在一幀內(nèi)信道不變，無法反映信道在時間上的變化，而導(dǎo)頻圖案分布在整個時間軸上可以跟蹤信道的變化。而本文的算法結(jié)合了前導(dǎo)估計的準(zhǔn)確和導(dǎo)頻估計對多普勒頻移的不敏感的特點，得到的估計結(jié)果均優(yōu)于其他兩種算法。

圖1 信道1仿真結(jié)果

圖2 信道2仿真結(jié)果

圖3為在信道參數(shù)3更惡劣的條件下，三種算法的誤碼情況。從圖3中可以看出，基于導(dǎo)頻的信道估計算法與信道1和2下相比誤碼性能有了相當(dāng)程度的惡化，這是因為多徑信號的時延擴(kuò)展較大使導(dǎo)頻間隔大于系統(tǒng)的相干帶寬，導(dǎo)頻不能準(zhǔn)確的反映信道在頻域上的變化。而多普勒頻移在100 Hz時，前導(dǎo)估計的結(jié)果基本不可用。這里本文的改進(jìn)的導(dǎo)頻估計算法，利用了前一符號的有效信道估計結(jié)果，相當(dāng)于加大了導(dǎo)頻的密度，從可以獲得比一般導(dǎo)頻插值估計算法更好的性能，能更有效的跟蹤信道變化，最后聯(lián)合前導(dǎo)和導(dǎo)頻估計結(jié)果完成信道估計。從以上仿真結(jié)果可以看出，在多徑時延更大和信道變化更快的情況下，其估計效果明顯優(yōu)于分別使用前導(dǎo)和導(dǎo)頻的估計方法。

圖3 信道3仿真結(jié)果

3 結(jié)語

本文針對 IEEE802.16d WirelessMAN-OFDM 空中接口物理層規(guī)范，在不同信道條件下仿真了前導(dǎo)估計、導(dǎo)頻估計的性能差異，從理論上分析了它們的性能差別，并根據(jù)它們存在的問題提出了一種前導(dǎo)和導(dǎo)頻聯(lián)合的信道估計方法。仿真結(jié)果表明其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的兩種信道估計方法，并能用于多徑時延擴(kuò)展更長多普勒頻移更大的信道環(huán)境中。

[1] 龔愛斐,陳發(fā)堂.一種改進(jìn)了的 OFDM信道估計算法[J].通信技術(shù),2008,41(06):100-102.

[2] IEEE Std 802.16e-2005 and IEEE Std 802.16-2004/Corl-2005.Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems[S].

[3] 龍九清.OFDM系統(tǒng)中信道估計算法研究與仿真[J].通信技術(shù),2008,41(10):7-8.

[4] Ozdemir M K, Arslan H. Channel Estimation for Wireless OFDM Systems[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2007,9(02):18-48.

[5] 程履幫.OFDMA系統(tǒng)中給予 LMMSE信道估計算法的改進(jìn)及其性能分析[J].電子學(xué)報,2008, 36(09):1782-1785.

[6] Lasaulce S, Sellami N, Yi Yuan. Performance Study of Least-squares Channel Estimation Based on Hard Decisions[J].IEEE Vehicular Technology, 2003, 4(04):2570-2574.