OFDM系統(tǒng)中一種實用的干擾抑制信道估計算法

賴曉陽 ，朵琳 ，2

(1.北京科技大學計算機與通信工程學院，北京 100083;2.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明650051)

OFDM系統(tǒng)中一種實用的干擾抑制信道估計算法

賴曉陽1，朵琳1，2

(1.北京科技大學計算機與通信工程學院，北京 100083;2.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明650051)

針對OFDM系統(tǒng)中LS信道估計在噪聲消除和干擾抑制上的不足，提出一種干擾抑制信道估計算法。算法利用OFDM信號的時頻二維特性，在LS信道估計基礎上通過3次FFT/IFFT實現(xiàn)信道噪聲消除和窄帶干擾抑制，算法復雜度低，具有較好的工程可行性。算法仿真結果表明，這種干擾抑制的信道估計性能比傳統(tǒng)LS信道估計在多徑信道下的性能提升3 dB以上，在有窄帶干擾的場景下系統(tǒng)性能損失在1.5 dB以內(nèi)。

OFDM;信道估計;干擾抑制

1 引言

OFDM(正交頻分復用)是一種多載波傳輸技術，它的主要思想是將整個信道分成若干個正交的子信道，在每個子信道上進行信號的調(diào)制和傳輸，從而提高頻帶利用率［1］。OFDM已在多種無線通信系統(tǒng)中得到廣泛應用，如數(shù)字音頻廣播(DAB)系統(tǒng)、數(shù)字視頻廣播(DVB)系統(tǒng)［2］、無線局域網(wǎng)(WLAN)［3］以 及 第 四 代 移 動 通 信 系 統(tǒng) (LTE)［4］等 。在 大 多數(shù)OFDM系統(tǒng)中，為了獲得較好的接收性能，都采取了基于頻域的訓練序列進行信道估計［5］。根據(jù)參考文獻［5］，頻域訓練序列最簡單的信道估計算法是最小二乘(least square，LS)準則。

典型的基于頻域訓練序列的信道估計原理如圖1所 示［6］。

圖1 信道估計原理

根據(jù)信道估計原理，接收到的信號y可以表示為［5］:

其中，Y(k，l)是接收信號的頻域數(shù)據(jù)，H(k，l)是信道頻域沖擊響應，X(k，l)是發(fā)射信號的頻域數(shù)據(jù)，N是信道白噪聲的頻域數(shù)據(jù)。

所謂LS信道估計就是:

但實際上:

然而，在寬帶OFDM系統(tǒng)中，傳輸信道除了受多徑和噪聲影響外，還可能遇到帶內(nèi)的突發(fā)窄帶干擾，意即:

其中，I(kI，l)是OFDM無線傳輸信道內(nèi)的窄帶干擾，如果采用LS信道估計，有:

由式(5)可以看到，噪聲和干擾都會影響LS信道估計的結果。當信道中存在窄帶干擾時，如果僅進行噪聲消除，OFDM系統(tǒng)的傳輸性能會大大降低，對系統(tǒng)的工程應用范圍也有負面影響。為了提升OFDM系統(tǒng)在工程應用中的性能，本文在保證算法復雜度可實現(xiàn)的基礎上，提出一種實用的干擾抑制信道估計算法，有效彌補了LS信道估計在噪聲消除和干擾抑制方面的不足，并通過仿真驗證了算法的性能。

2 基于DFT的信道估計算法

通過時域信道估計進行降噪的算法思想如圖2所示［7］。

圖2 基于DFT的信道估計算法思想

根據(jù)參考文獻［7］，有:

其中，αi代表不同多徑上的增益，L代表最大多徑時延代表信道的時域沖擊響應。由于信道的多徑傳播，對于時域信道估計，可以認為在多徑時延內(nèi)的抽頭是信號、干擾和熱噪聲共同作用的結果，而其他位置的抽頭就是干擾和熱噪聲共同作用的結果，意即:

從而，可以通過對多徑時延外的信號進行噪聲估計，實現(xiàn)時域信道估計的降噪。不過，由于實際信道的多徑時延不可能恰好是OFDM最小采樣間隔的整數(shù)倍，時域信道沖激響應在多徑時延外存在功率泄露，所以工程實現(xiàn)的方案是通過比對噪聲門限來消除LS信道估計結果中的噪聲。

基于DFT的信道估計算法過程如下。

(1)對LS信道估計結果進行IFFT得到時域信道沖激響應為:

(2)提取時域沖激響應的多徑抽頭，并進行降噪處理:

(3)求取噪聲消除后的頻域信道估計

基于DFT的信道估計算法的核心思想是對頻域的LS信道估計進行一次時頻變換，在時頻進行噪聲估計和消除，從而提高LS信道估計的性能。

3 干擾抑制信道估計方法

由于窄帶干擾的時域特性體現(xiàn)為噪底抬高，當信道中存在窄帶干擾時，如果直接基于DFT的信道估計算法會引起信道噪聲估計偏大，降噪后的信道估計不準確，并且隨著信噪比的提升，信道估計的誤差會越大，導致最終的接收性能在降噪后反而更加惡化。

對比式(8)，疊加干擾之后的 LS時域信道估計h^′LS(n，l)應表示為:

其中，hI(n，l)是對干擾信號進行LS信道估計后的時域波形。

因為噪聲具有帶內(nèi)隨機性，而干擾存在于特定頻段，因此對于式(11)進行降噪操作不會改變信號和干擾的頻域特性，即:

從而:

根 據(jù) 式(13)，在 受 到 干 擾 的 頻 點 kI存 在分量，由此可以設置判決門限識別出受到干擾的頻段，通過鄰頻段的信道估計對干擾頻段的信道進行插值估計，以達到抑制干擾影響信道估計性能的效果。實際工程應用中，干擾無法事先消除，因此不可得，只能用近似代替。

干擾抑制信道估計的實現(xiàn)過程如圖3所示。

干擾抑制算法的核心思想是通過比對降噪前后頻域信道估計結果，識別出被干擾的頻段，用領頻段的信道估計結果進行插值，在此基礎上再進行噪聲消除，從而得到更為準確的信道估計結果。在實現(xiàn)上，干擾抑制信道估計算法只需要對LS信道估計結果進行3次FFT/IFFT，即可完成噪聲消除和干擾抑制，算法的工程可實現(xiàn)性非常高。

干擾抑制算法過程如下。

(1)對LS信道估計結果進行IFFT得到時域信道沖激響應:

(2)提取時域沖激響應的多徑抽頭，并進行降噪處理:

其中，Γ為降噪門限。

(4)判斷并識別干擾頻段:

圖3 干擾抑制的信道估計流程

其中，Γ′為干擾門限。

值得注意的是，干擾抑制算法只是抑制了干擾對信道估計性能的影響，并不能消除信道上的干擾，頻域數(shù)據(jù)在均衡之后還應將對應干擾頻段的軟符號采取置0操作，通過信道譯碼完整恢復原始發(fā)送信號。

4 仿真結果和分析

為了驗證本文所提出的OFDM系統(tǒng)干擾抑制信道估計算法的性能，主要針對多徑信道和疊加窄帶干擾的多徑信道進行算法仿真，通過對比系統(tǒng)解調(diào)性能說明算法的性能。仿真的OFDM系統(tǒng)共有512個子載波，塊狀安置導頻，原始比特采用Turbo編碼，調(diào)制方式為QPSK。仿真中假定系統(tǒng)已精確同步，從而排除同步誤差引起的性能差異。

仿真采用的多徑信道為3GPP建議的TU信道模型［4］，相關參數(shù)的設置見表1。

表1 TU信道參數(shù)

圖4是在標準多徑信道下的仿真結果。可以看到，LS信道估計的性能受噪聲影響比較大，基于本文所提出的干擾抑制信道算法的系統(tǒng)接收性能可以提升3 dB以上，說明本文提出的干擾抑制信道估計算法在城市通信環(huán)境下具有良好的性能。

當信道中存在一個信號強度2倍于OFDM符號的單音干擾時，如果只進行噪聲消除而不采取干擾抑制措施，基于DFT的降噪算法會將窄帶干擾誤判為噪聲，導致信道估計出現(xiàn)錯誤，采用降噪信道估計的系統(tǒng)會產(chǎn)生如圖5所示的瓶底效應。由于窄帶干擾只對部分頻段帶來影響，采用LS信道估計的OFDM系統(tǒng)反而能夠隨著信噪比的增加而改善系統(tǒng)性能。

圖4 標準多徑信道下的仿真性能

圖5 不采取干擾抑制的仿真性能(TU模型)

采用本文的干擾抑制算法后，OFDM系統(tǒng)性能將發(fā)生質(zhì)的改變，如圖6所示，相對于沒有干擾的信道場景，系統(tǒng)性能降低在1.5 dB以內(nèi)。

圖6 采取干擾抑制的仿真性能(PP信道估計)

5 結束語

本文著眼于OFDM關鍵技術之一的信道估計，在傳統(tǒng)LS信道估計結果基礎上通過3次IFFT/FFT完成噪聲消除和干擾抑制，保持了LS信道估計實現(xiàn)簡單的優(yōu)勢，提升了信道估計的準確度，擴大了OFDM系統(tǒng)的工程應用場景。仿真結果表明，采取干擾抑制信道估計方法相對于傳統(tǒng)LS信道估計解調(diào)性能在高斯信道下解調(diào)性能提升3 dB，在多徑信道下提升2 dB以上;在信道存在窄帶干擾的情況下，干擾抑制算法發(fā)揮作用，性能只有1 dB的惡化。目前這種干擾抑制的信道估計方法已經(jīng)在Freescale MSC8157處理器上開發(fā)實現(xiàn)，系統(tǒng)集成測試性能與仿真結果基本吻合，正在進行實際環(huán)境應用測試。

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Utility channel estimation algorithm with interference suppression in OFDM system

LAI Xiaoyang1，DUO Lin1，2
1.School of Computer&Communication，Beijing University of Science&Technology，Beijing 100083，China 2.Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China

In OFDM system，the least square(LS)algorithm has the shortage of noise cancelling and interference suppressing.An utility channel estimation algorithm which took advantage of the time frequency characteristic in OFDM system was proposed.The new channel estimation algorithm realized noise cancelling and interference suppressing through time-frequency transform by three times.In view of time-frequency transform could be achieved by FFT/IFFT，the new channel estimation algorithm complexity was low.In the TU channel simulation，the new channel estimation algorithm has the high performance，which was 3 dB better than the LS algorithm.In the TU channel simulation with interference suppression，the new channel estimation algorithm has only 1.5 dB reduction in performance.

OFDM，channel estimation，interference suppression

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016013

2015-12-10;

2016-01-07

賴曉陽(1982-)，男，北京科技大學博士生，主要研究方向為寬帶移動通信系統(tǒng)信號處理及網(wǎng)絡協(xié)議關鍵技術。

朵琳(1974-)，女，北京科技大學博士生，昆明理工大學講師，主要研究方向為下一代網(wǎng)絡技術。