基于二維DCT的TD－LTE系統(tǒng)信道估計方法

陳 琳，申 敏

（重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

基于二維DCT的TD－LTE系統(tǒng)信道估計方法

陳 琳，申 敏

（重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

在TD-LTE系統(tǒng)中，由于高速移動產(chǎn)生多普勒頻偏，使傳統(tǒng)的基于DFT插值信道估計算法性能損失嚴重。為了解決上述問題，提出一種利用TD-LTE系統(tǒng)導頻模式的二維離散余弦變換（2D-DCT）信道估計算法，并給出了詳細的推導。仿真結(jié)果表明，該方法的性能優(yōu)于2D-DFT算法，可以很好地接近2D維納濾波估計算法。

TD-LTE;2D-DFT;導頻模式;2D-DCT

【本文獻信息】陳琳，申敏.基于二維DCT的TD-LTE系統(tǒng)信道估計方法［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

TD-LTE采用OFDM和MIMO作為其無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)。在實際應用中，無線信道的時變性和頻率選擇性衰落都會嚴重影響系統(tǒng)的性能，對信道估計的準確性和實時性提出更高的要求。

在基于導頻輔助的信道估計算法中，接收端首先根據(jù)已知導頻估計出導頻子載波（符號）的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移值，然后再利用變換、濾波、內(nèi)插等處理方法獲取所有數(shù)據(jù)子載波（符號）上的信道頻率特性值，可以做到實時和快速估計。基于最小均方誤差估計準則（Minimum Mean Squared Error，MMSE）的時頻二維維納濾波估計算法［1］，這種二維濾波器的性能最好，但是計算復雜，在實際系統(tǒng)中難以得到很好的應用。基于二維DFT的信道估計算法在其性能和實現(xiàn)復雜度之間取得較好的平衡［2］。當系統(tǒng)存在高多普勒頻移時，2D-DCT信道估計［3］雖能改善性能，但僅限于矩形導頻模式。由于TD-LTE的導頻模式不僅能在典型頻率選擇性衰落信道環(huán)境下獲得良好的估計性能，而且又能將導頻數(shù)量控制在較低水平。因此，本文對TD-LTE系統(tǒng)的2D-DCT信道估計進行研究，以擴大2D-DCT的應用。

1 2D TD-LTE導頻信號模型

TD-LTE系統(tǒng)的下行參考信號（導頻）對應于不同應用場合，可以分為3種類型:MBSFN參考信號、小區(qū)專用的參考信號和終端專用的參考信號［4］。如圖1所示為兩天線小區(qū)專用參考信號的映射圖。同一天線上的參考信號在同一時隙時域上間隔4個符號，頻域上間隔6個子載波。為了避免天線間的干擾，不同天線參考信號映射應滿足正交關(guān)系，且任何天線參考信號所在的資源單元不能分配其他任何天線的信息（如圖1中陰影位置）。

圖1 下行2個天線參考信號映射

式中:l是一個時隙中的OFDM符號序號;m=0，1，…，和vshift定義了不同導頻在頻域上的位置，即

假設(shè)在第n個OFDM符號中，XP=diag［XP（n，0），XP（n，1），…，XP（n，LF-1）］是發(fā)射端在第n個 OFDM 符號上導頻子載波處的導頻值，LF為頻域上的導頻數(shù)目。則接收到的導頻信號為

式中:YP=［YP（n，0），YP（n，1），…，YP（n，LF-1）］T是第n個OFDM符號上接收到的導頻信號;HP=［HP（n，0），HP（n，1），…，HP（n，LF-1）］T是導頻子載波的信道頻域響應;ZP=［ZP（n，0），ZP（n，1），…，ZP（n，LF-1）］T是加性高斯白噪聲。

2 導頻子載波的信道估計

導頻位置常用的信道估計算法有最小平方誤差（LS）、線性最小均方誤差（LMMSE）。由LS算法得到的導頻位置的信道估計值為

LMMSE信道估計算法的估計表達式為［5］

根據(jù)MMSE準則，LMMSE是最佳線性估計器，它可以使最小均方誤差最小，但其計算復雜。綜合考慮其復雜度和估計性能，在TD-LTE系統(tǒng)中導頻位置的信道估計通常采用算法實現(xiàn)簡單但精度稍差的LS算法。

3 一維DFT信道估計

基于DFT的信道估計算法的基本原理是:首先進行LS估計出頻域信道響應;然后通過IDFT變換到時域，在時域內(nèi)進行線性變化濾波;最后再經(jīng)過DFT變換進入到頻域，從而實現(xiàn)DFT信道估計。基于DFT的信道估計算法利用了OFDM系統(tǒng)中信道沖激響應（CIR）長度L通常情況下小于循環(huán)前綴長度Lg這一特性，在頻域信道估計轉(zhuǎn)化到時域時，將大于循環(huán)前綴Lg的CIR值強制置0，以此來達到消除噪聲的目的。

式中:i表示第i個OFDM符號。由于CIR的長度小于OFDM循環(huán)前綴長度Lg，這樣將n＞Lg-1時的估計值置0，其余值保持不變，得到去噪后的信道估計值為

最后，對已經(jīng)去噪的信道估計作DFT變換得到信道的頻域估計為

雖然基于DFT的信道估計算法易于實現(xiàn)且性能良好，但由于DFT隱含周期性，如果原始數(shù)據(jù)序列首尾兩端不連續(xù)，對應的無限長周期序列的周期邊緣會出現(xiàn)快速變化，直接進行DFT必然會產(chǎn)生額外的高階分量，引起混疊現(xiàn)象。另外，基于DFT的信道估計算法只有通過提高樣本空間的多徑延遲時間來獲得估計信道的準確性［6］。當多徑時延為非整數(shù)倍采樣間隔時，會出現(xiàn)信道脈沖響應泄漏的問題。因此，混疊誤差和能量泄漏會嚴重地影響基于DFT的信道估計性能。

4 二維DCT信道估計

離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT）是一種變換域數(shù)據(jù)處理算法，在圖像處理中應用較為廣泛。DCT比DFT能量更加集中，可以有效地抑制頻譜能量泄漏問題，還可以很好地抑制首尾不連續(xù)的原始數(shù)據(jù)序列直接進行DFT產(chǎn)生的額外的高階分量［7］。DCT是與DFT相關(guān)的一種變換，相當于大概2倍長度的DFT，且在簡化變換運算方面，以實數(shù)為變換核的DCT運算比以復數(shù)為變換核的DFT運算更加方便。DCT的概念是將原來的M點序列通過鏡像對稱擴展為2M點的序列來處理，因此相比DFT可以使信號的波形更加平滑，而且還能解決連續(xù)周期邊界點處的不連續(xù)問題，從而達到減少信號高頻分量的目的，這對于插值來說非常重要。

本文利用二維DCT算法的可分離特點，提出了一種采用兩個級聯(lián)的一維DCT實現(xiàn)信道估計的算法。首先對包含導頻信息的OFDM符號在頻率方向進行插值，然后在時間方向?qū)λ械淖虞d波進行插值。由于濾波器是線性的，所以在實際運用中采用另一種順序即先時域后頻域插值也可以獲得相同的性能。

4.1 頻域DCT

首先對包含導頻信息的OFDM符號在頻率方向上進行插值，即對一個子幀的第i（i=0，1，…，LT-1）個OFDM符號分別進行DCT插值，即

沿頻率方向進行補0，得到長度為Nc的信號為對h（i，n）進行Nc點IDCT插值，即

由此通過計算相鄰導頻子信道響應便可以得到一個子幀內(nèi)所有含有導頻子載波的OFDM符號的子信道響應。

4.2 時域DCT

完成在頻域方向上插值后再在時間方向上對一個子幀所有的子載波進行插值，即對第k（k=0，1，…，Nc-1）個子載波進行DCT插值，即

沿時間方向進行補0，得到長度為Ns的信號hNs（n，k）

對h（n，k）作進行Ns點IDCT插值，即

這樣就可以得到整個子幀的信道響應。

5 仿真結(jié)果

本節(jié)使用MATLAB 7.1對提出的基于2D DCT的TDLTE系統(tǒng)的信道估計算法進行仿真實驗。以2發(fā)2收天線為例，仿真TD-LTE系統(tǒng)HS-PDSCH信道在EPA70信道環(huán)境下的性能。

仿真環(huán)境參數(shù):循環(huán)前綴長度為144，資源塊NRB=15，QPSK調(diào)制方式，采用發(fā)送分集方式，參考信號采用小區(qū)專用參考信號，仿真迭代次數(shù)為500。信道加性白高斯噪聲為零均值，方差由信噪比決定。

仿真結(jié)果如圖2和圖3所示，分別比較了2D MMSE，2D DFT及2D DCT信道估計算法的誤比特率（BER）和均方誤差（MSE）。

從圖2和圖3的仿真結(jié)果可以看出，2D MMSE算法基于最小均方誤差準則，體現(xiàn)了均方誤差最優(yōu)的性能。基于時域和頻域2D DCT的信道估計算法性能優(yōu)于基于2D DFT的信道估計算法，而且減少了估計時的混疊誤差，在低信噪比時明顯降低了加性高斯白噪和載波間干擾的影響。雖然時域和頻域2D DCT算法較2D MMSE算法估計性能降低，但是隨著SNR的增加2D DCT算法性能而逐漸接近2D MMSE算法，并且降低了實現(xiàn)復雜度，實現(xiàn)了比較高效和準確的估計。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于時頻二維DCT的TD-LTE系統(tǒng)信道估計方法，它是針對TD-LTE系統(tǒng)導頻模式設(shè)計的，該方法可有效克服傳統(tǒng)的基于DFT的信道估計方法的混疊誤差，并且能以較低的實現(xiàn)復雜度逼近最優(yōu)的2D MMSE信道估計器性能。此信道估計方法還能在接收信噪比較低時獲取較高的信道估計精度，因此在TD-LTE系統(tǒng)的下行傳輸鏈路中采用該方法不僅能降低終端的估計功耗，還能降低基站端的導頻發(fā)送功率。所以，對于TDLTE系統(tǒng)的多徑信道環(huán)境，建議采用2D DCT這種信道估計算法。

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［1］HOEHER P，KAISER S，ROBERTSON P.Two-dimensional pilot-symbol aided channel estimation by Wiener filtering［C］//Proc.1997 IEEE International Conference Acoustics，Speech，and Signal Processing.Munich，Germany:IEEE Press，1997:1845-1848.

［2］LI Y.Pilot-symbol-aided channel estimation for OFDM in wireless systems［J］.IEEE Trans.Vehicular Technology，2000，49（4）:1207-1215.

［3］JIANG B，WANG W J，WANG H M，et al.Two dimensional DCT-based channel estimation for OFDM systems with virtual subcarriers in mobile wireless channel［C］//Proc.IEEE International Conference Communication.Beijing，China:IEEE Press，2008:3801-3806.

［4］3GPP TS 36.211，Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA）;Physical channels and modulation（Release 10）［S］.2011.

［5］EDFORS O，SANDELL M，VAN DE BEEK J-J，et al.OFDM channel estimation by singular value decomposition［C］//Proc.IEEE 46th Vehicular Technology Conference，1996.［S.l］:IEEE press，1996:923-927.

［6］VAN DER BEEK J-J，EDFORS O，SANDELL M，et al.On channel estimation in OFDM system［C］//Proc.VTC 1995.［S.l.］:IEEE Press，1995:815-819.

［7］YEH Y H，CHEN S G.DCT-based channel estimation for OFDM systems［C］//Proc.2004 IEEE International Conference on Communications.［S.l.］:IEEE Press，2004:2442-2446.

Two－dimensional DCT－based Channel Estimation in TD－LTE Systems

CHEN Lin，SHEN Min

（School of Communications and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

In TD-LTE system，the high-speed mobile Doppler shift leads to a serious loss in the DFT-based interpolation channel estimation algorithm performance.In order to solve these problems，a two-dimensional discrete cosine transform channel estimation algorithm for TD-LTE system pilot model is proposed in this paper，and a detailed derivation is given.Simulation results show that the performance of the method is superior to the 2D-DFT algorithm，and can approach the performance of 2D Wiener filter estimation algorithm.

TD-LTE;2D-DFT;pilot model;2D-DCT

TN929.5

A

陳 琳（1988— ），女，碩士生，主研第三代移動通信技術(shù)及物理層應用;

申 敏（1963— ），女，教授，主研移動通信系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)字信號處理及其應用。

責任編輯:薛 京

2012－10－15