一種用于IEEE802.16d的聯(lián)合信道估計(jì)算法

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(wú)線通信領(lǐng)域中一種非常有競(jìng)爭(zhēng)力的物理層技術(shù)[1]。而信道估計(jì)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(hào)中導(dǎo)頻（Pilot）的插入圖案，所以其信道估計(jì)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(jì)插值的信道估計(jì)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(diǎn)。由于前導(dǎo)訓(xùn)練序列僅在每幀開頭，從而無(wú)法實(shí)時(shí)跟蹤信道變化；此外當(dāng)信道相干帶寬大于導(dǎo)頻間隔時(shí)，導(dǎo)頻估計(jì)將不能準(zhǔn)確反映信道的變化。為解決以上問(wèn)題，本文提出了一種前導(dǎo)和導(dǎo)頻聯(lián)合的信道估計(jì)算法，它能夠更有效的對(duì)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(jì)

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

1.1 前導(dǎo)訓(xùn)練序列信道估計(jì)

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

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

1.2 判決式導(dǎo)頻信道估計(jì)

導(dǎo)頻信道估計(jì)先通過(guò)已知導(dǎo)頻得到導(dǎo)頻頻點(diǎn)處的信道值，再通過(guò)對(duì)其它頻點(diǎn)處內(nèi)插得到整個(gè)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(jì)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(jì)方法[6]。

設(shè)通過(guò)信道估計(jì)算法得到第i個(gè)符號(hào)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(diǎn)處均衡后結(jié)果準(zhǔn)確，即信道估計(jì)值在該點(diǎn)足夠準(zhǔn)確，可以作為下一個(gè)符號(hào)的導(dǎo)頻估計(jì)結(jié)果。經(jīng)過(guò)門限判決可以得到多個(gè)估計(jì)準(zhǔn)確點(diǎn)，這里表示為為估計(jì)準(zhǔn)確點(diǎn)子載波標(biāo)號(hào)。

而下一個(gè)符號(hào)導(dǎo)頻點(diǎn)處，由LS估計(jì)算法得出的估計(jì)結(jié)果為：

其中，kp為導(dǎo)頻符號(hào)所在子載波標(biāo)號(hào)。

1.3 前導(dǎo)和導(dǎo)頻聯(lián)合估計(jì)

由于前導(dǎo)訓(xùn)練序列在整個(gè)頻段上分布，所以前導(dǎo)訓(xùn)練序列估計(jì)對(duì)抗頻率選擇性衰落的性能優(yōu)于導(dǎo)頻估計(jì)。而前導(dǎo)信道估計(jì)無(wú)法跟蹤信道在時(shí)間上的變化，所以實(shí)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(jì)，利用導(dǎo)頻估計(jì)對(duì)多普勒頻移不敏感來(lái)對(duì)前導(dǎo)估計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償：

這里通過(guò)前后兩個(gè)符號(hào)導(dǎo)頻點(diǎn)處信道估計(jì)結(jié)果的差值來(lái)判斷信道隨時(shí)間變化快慢，即前后兩個(gè)符號(hào)導(dǎo)頻估計(jì)結(jié)果相差越大說(shuō)明信道隨時(shí)間改變?cè)酱?，因而步進(jìn)因子u通過(guò)下式得到：其中Np為導(dǎo)頻個(gè)數(shù)。通過(guò)步進(jìn)因子的計(jì)算就可以自適應(yīng)的根據(jù)信道變化快慢來(lái)控制前導(dǎo)估計(jì)和導(dǎo)頻估計(jì)所占的比重。

為了提高導(dǎo)頻估計(jì)的精度，同理可以聯(lián)合之前符號(hào)的導(dǎo)頻估計(jì)，最終的信道估計(jì)結(jié)果可以通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)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(zhǎng)度為符號(hào)長(zhǎng)度的 1/4，幀長(zhǎng)4.5 ms，每幀55個(gè)OFDM符號(hào)，假設(shè)系統(tǒng)沒(méi)有同步和頻偏問(wèn)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(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 仿真信道參數(shù)

下頁(yè)圖1為在信道參數(shù)1典型SUI3慢衰落信道下三種估計(jì)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(jì)的性能就越優(yōu)于導(dǎo)頻估計(jì)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(lái)對(duì)信道進(jìn)行跟蹤，并且前導(dǎo)中的頻點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于導(dǎo)頻數(shù)，因此前導(dǎo)的估計(jì)自然優(yōu)于導(dǎo)頻的估計(jì)。本文算法由于結(jié)合了前導(dǎo)和導(dǎo)頻估計(jì)結(jié)果，故估計(jì)結(jié)果會(huì)由導(dǎo)頻估計(jì)引入一定的誤差，估計(jì)效果略差于前導(dǎo)估計(jì)算法。

圖2給出了在信道參數(shù)2多徑時(shí)延不變多普勒頻移50 Hz情況下三種估計(jì)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(jì)性能變差，而導(dǎo)頻估計(jì)性能與圖1基本不變，分析原因，這是因?yàn)榍皩?dǎo)估計(jì)只是在幀頭進(jìn)行估計(jì)，并且認(rèn)為在一幀內(nèi)信道不變，無(wú)法反映信道在時(shí)間上的變化，而導(dǎo)頻圖案分布在整個(gè)時(shí)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(jì)的準(zhǔn)確和導(dǎo)頻估計(jì)對(duì)多普勒頻移的不敏感的特點(diǎn)，得到的估計(jì)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(jì)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?yàn)槎鄰叫盘?hào)的時(shí)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(shí)，前導(dǎo)估計(jì)的結(jié)果基本不可用。這里本文的改進(jìn)的導(dǎo)頻估計(jì)算法，利用了前一符號(hào)的有效信道估計(jì)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(jì)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(jì)結(jié)果完成信道估計(jì)。從以上仿真結(jié)果可以看出，在多徑時(shí)延更大和信道變化更快的情況下，其估計(jì)效果明顯優(yōu)于分別使用前導(dǎo)和導(dǎo)頻的估計(jì)方法。

圖3 信道3仿真結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì) 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(jì)、導(dǎo)頻估計(jì)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(wèn)題提出了一種前導(dǎo)和導(dǎo)頻聯(lián)合的信道估計(jì)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(jì)方法，并能用于多徑時(shí)延擴(kuò)展更長(zhǎng)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(jì)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(jì)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(jì)算法的改進(jìn)及其性能分析[J].電子學(xué)報(bào),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.