MB-OFDM UWB系統中導頻圖樣的最優化設計

陳 莉,曾以成,楊 丹,任 偉

(湘潭大學光電工程系,湖南湘潭411105)

MB-OFDM UWB系統中導頻圖樣的最優化設計

陳 莉,曾以成,楊 丹,任 偉

(湘潭大學光電工程系,湖南湘潭411105)

在MB-OFDM UWB系統中,導頻圖樣對信道估計的影響較大,為了甄別這些影響,并尋找到較優的導頻圖樣,根據信道的最大多徑時延和最大多普勒頻移以及取樣率平衡原理來確定導頻的時域和頻域間隔,并通過性能仿真對比,得到不同的導頻圖樣對信道估計算法和信道插值算法的影響。通過Matlab仿真實驗表明,該方法較傳統的導頻圖樣設計方法更快速,具有更好的性能,可為不同信道估計方法中導頻圖樣的選擇提供依據。

超寬帶 正交頻分復用 導頻圖樣 信道估計

0 引 言

超寬帶(UWB,Ultra Wide Band)通信是一種短距離高速無線通信技術。采用多頻帶正交頻分復用(MB-OFDM,Multi-band Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術,可以在相繼的時間里于不同子頻帶內傳輸給用戶數據,可以避免特定頻帶上的非人為干擾,不需要射頻限波濾波器。在MBOFDM UWB系統中,由于無線信道常常是衰落信道,系統對頻偏比較敏感,所以一般使用相干檢測,此時,信道估計[1]是必須的,則需要不斷對信道進行跟蹤,這主要依靠導頻,因此導頻信息的選擇會對信道估計性能有影響。

近年來,信道估計中的導頻設計被廣泛研究。文獻[2]驗證了二維導頻對信道估計的影響,這種方法在不給估計性能帶來很大損失的情況下,極大地降低了導頻符號的數量,它的缺點是在某些邊界點處有較大的誤差;文獻[3]中提出了一種窮舉法導頻設計方案,即對所有可能的導頻圖樣進行仿真,從中找到最適合的導頻圖樣,但這種方法運算量太大,仿真時間較長;文獻[4]中驗證了時域塊狀導頻插入方式和斜對角導頻插入方式的優越性,但這兩種插入方式更適合于光OFDM通信系統。為了解決上述問題,文中根據信道的最大多徑時延和最大多普勒頻移以及取樣率平衡原理來確定導頻的時域和頻域間隔,通過對基于不同導頻圖樣的信道估計算法和信道插值算法進行仿真比較,為不同信道估計方法中導頻圖樣的選擇提供優化方案。

1 MB-OFDM UWB信道估計系統

1.1 系統模型

基于MB-OFDM超寬帶系統的發送和接收系統如圖1所示。

圖1給出了一個常用的基于OFDM的UWB信號基帶發送和接收的系統模型,在信道前插入了循環前綴(CP)來消除符號間干擾(ISI),得到信號xp(n),FFT為快速傅里葉變換。接收端的信號yp(n)可表示成:

式中,w(n)為加性高斯白噪聲,h(n)為信道的脈沖響應。

圖1 MB-OFDM超寬帶系統的發送和接收框Fig.1 Sending and receiving block diagram of MB-OFDM UWB system

1.2 基于導頻的信道估計

基于導頻信道估計也稱為非盲信道估計,幾種典型的非盲信道估計算法有:基于LS準則的信道估計算法、基于DFT的變換域信道估計算法和基于MMSE準則的信道估計算法。基于導頻的信道插值算法主要有:線性插值、高斯插值、三次樣條插值以及hermite插值方法[5]等。文中仍采用LS準則,基于導頻的信道估計算法如下述。上面式(1)的頻域表達式為:

Xp=diag(Xp(0)Xp(1)…Xp(N-1))T為導頻子信道傳輸信號矩陣,Hp=(Hp(0)Hp(1)…Hp(N-1))T為導頻所在子信道的頻域脈沖響應,Yp= (Yp(0)Yp(1)…Yp(N-1))T為經過信道傳輸后接收的導頻信號向量,Wp為噪聲序列的傅氏變換,由LS準則得信道估計算法為:

使其最小化,需要求偏導數,即

基于導頻的非盲信道估計的基本過程是:在發送端適當位置插入導頻,接收端利用導頻恢復出導頻位置的信道信息,然后利用某種處理手段(如信道插值)獲得所有時段的信道信息。但是插值算法也會帶來新的噪聲,產生噪聲門限效應,插值算法帶來的噪聲主要取決于兩個方面:一是導頻插入的數量和方法,導頻數量越多,插值得到的信道估計越好,相應的噪聲消除效果就越佳[6],但同時也降低了頻譜利用率。二是取決于插值方法的使用,通過對插值方法的改進也可以優化系統性能,文中對這兩個方面的因素都進行了仿真討論,為選取更合適于信道估計和信道插值算法的導頻圖樣提供依據。

2 導頻圖樣設計

2.1 導頻插入方式設計

MB-OFDM UWB系統常采用基于導頻序列的信道估計,其中有兩種典型的一維導頻序列插入方式[7]一種是塊狀導頻(如圖2(a)所示),適用于慢衰落信道;另一種是梳狀導頻(如圖2(b)所示),適用于快衰落信道。文中進行了基于這兩種導頻插入方式的系統仿真。

圖2 塊狀導頻分布和梳狀導頻分布Fig.2 Block and comb pilot frequency distribution

2.2 導頻間距設計

在OFDM系統中,進行相干解調時,一個關鍵的問題是導頻的選擇,包括導頻的結構和數量等。在進行導頻圖樣設計時,如果導頻間隔[8-9]過大,就不能準確的跟蹤信道的信息;如果導頻間隔過小,就會導致頻譜利用率不高,使系統效率受到影響。因此導頻圖樣的設計要在滿足一定設計準則的前提下,盡量達到系統最優。由文獻可知,時域內的相關時間約等于最大多普勒頻移的倒數,在頻域內的相關帶寬約等于最大多徑時延的倒數,在理想情況下,插入的導頻時域和頻域必須滿足以下條件,即導頻的時域間隔St要小于相關時間,導頻的頻域間隔Sf要小于相關帶寬,用公式表示為:

式中,fd為最大多普勒頻移,τmax為最大多徑時延。但在實際的MB-OFDM超寬帶系統中,根據上面的設計準則設計的導頻圖案還不能完全滿足系統的要求,如文獻[3]所示,為了達到更好的信道估計性能,這里應采用過采樣技術。根據奈奎斯特抽樣定理,抽樣頻率要大于信號帶寬的兩倍,才能無失真的恢復出原始信號,即導頻的時域和頻域間隔也應滿足這一關系,才能更好的還原信道的信息,即

式中,Nt、Nf分別表示導頻的時域和頻域間隔,Δf為系統子載波間隔,Ts為OFDM符號周期。對式(7)、式(8)向下取整,便可得導頻的時域和頻域間隔的可能值,即得到滿足系統的多種導頻圖案。為了確定最優的導頻時域和頻域間隔,文中采用表1的MB-OFDM UWB系統仿真參數。由式(7)、式(8)可得式(9)、式(10)確定的時頻間隔,因此文中進行了導頻數小于等于10的系統仿真。

表1 MB-OFDM UWB系統仿真參數Table 1 Simulation parameters of MB-OFDM UWB system

對于信道傳輸函數比較好的抽樣應該使時間軸的取樣率和頻率軸的取樣率平衡,既滿足下式

在安排導頻符號時,還應該盡量使一幀中的第一個OFDM符號和最后一個OFDM符號內包含有導頻符號[10-11],這樣就能保證每幀邊緣的估計值比較準確。由式(9)、式(10)、式(11)即可確定滿足此MB-OFDM UWB系統的最佳導頻間距,即Nt取9且Nf取7。

3 仿真結果及性能分析

文中通過仿真不同導頻結構和不同導頻間距的系統信道估計性能,來驗證上述導頻圖樣對信道估計的影響。采用圖1所示基帶系統,FFT長度為128,調制方式為QPSK,采用的信道模型為瑞利衰落模型。

3.1 導頻插入方式仿真

為了評估導頻插入方式對信道估計的影響,仿真了基于梳狀導頻和塊狀導頻的MB-OFDM UWB系統性能,圖3為基于梳狀導頻和塊狀導頻的信道估計算法的BER比較。由圖3可知,在有信道估計的前提下,在慢衰落的信道模型中,基于塊狀導頻的信道估計的誤比特率要低于基于梳狀導頻的信道估計的誤比特率。基于塊狀導頻的信道估計是指在發送信號中每隔一定的時間插入導頻信號,且導頻信號占據所有子載波,接收端通過對這些導頻信號進行處理,來得到信道的有效參數。文中采用的信道模型是慢衰落的,所以信道在兩個導頻信號之間的時間內可以近似看作是穩定的,采用塊狀導頻可以對導頻所占據子載波周圍進行全面搜索。因此在慢衰落模型中,基于塊狀導頻的信道估計算法優于基于梳狀導頻的同類的信道估計算法。為再次驗證這一結論,文中仿真了三次樣條插值和三次hermite插值算法,如圖4所示,基于塊狀導頻的插值算法性能要優于基于梳狀導頻的插值算法。

圖3 基于不同導頻結構的信道估計算法BER比較Fig.3 BER comparison of channel estimation algorithm based on different pilot structures

圖4 基于不同導頻結構的信道插值算法BER比較Fig.4 BER comparison of channel interpolation algorithm based on different pilot structures

3.2 導頻間距最優化

由式(9)、式(10)可得MB-OFDM UWB系統導頻信息的時域和頻域間隔上限,為了確定各種信道估計方法在此系統中的最佳導頻間隔也即由式(9)、式(10)、式(11)得出的結論,由于采用的是慢衰落信道,塊狀導頻在頻率軸上的間隔對系統影響不是很大,文中仿真了基于梳狀導頻的各種導頻間隔的系統性能,如圖5和圖6所示。

圖5 基于不同導頻間隔的信道估計算法BER比較Fig.5 BER comparison of channel estimation algorithm based on different pilot intervals

圖6 基于不同導頻間隔的信道插值算法BER比較Fig.6 BER comparison of channel interpolation algorithm based on different pilot intervals

由圖5可得,微小的導頻間隔變化對信道估計的性能幾乎沒有什么影響,導頻間隔的變化會導致導頻數量的變化,而由于導頻間隔是微小變化的,所以導頻數量也是微小變化的,基于導頻信道估計算法的原理是通過對導頻處的信道響應來對整個信道進行粗估計,所以得到的信道響應是一個大致的估計值,故導頻的這種微小變化不會對這個大致的估計值產生很大的影響,此時再去研究最優導頻間隔也沒多大意義。而由圖6可知借助了信道插值算法的信道估計會比沒有信道插值的信道估計效果要好,而且在此梳狀導頻系統中,當導頻間隔為7時,系統誤比特率最低,較其他導頻間隔的優勢較大,也即為系統的最佳導頻間隔,驗證了由式(9)、式(10)、式(11)所得的結論,且三次hermite插值的系統性能會在信噪比較高的時候略優于三次樣條插值。這是因為除去導頻外的數據子載波的信道響應需要借助信道插值和濾波等方法來完成,故圖6所示的效果都要優于圖5。雖然三次hermite插值會在一定程度上減少運算量,但三次hermite插值搜索范圍相對三次樣條插值而言要窄,更容易感知細微變化,這也對導頻間隔的選擇提出了更高的要求。

4 結 語

針對超寬帶這一無線通信技術的需要,文中主要研究了MB-OFDM UWB系統的導頻圖樣的設計,提出了一種快速確定最優導頻間隔的方法,并且分別對導頻插入方式和導頻間隔的變化所引起的信道估計的影響進行了仿真。結果表明在慢衰落信道導頻插入方式上,基于塊狀導頻的信道估計方法要更優于基于梳狀導頻的信道估計方法。對于導頻間隔的變化,各種信道估計方法的敏感程度不一,含插值算法的信道估計比不含插值算法的信道估計更敏感,而三次hermite插值由于其搜索半徑較小,從而較其他算法能夠更準確的還原信道信息,也因為如此對導頻間隔的變化敏感程度較其他算法而言會更大。文中采用的導頻方案彌補了邊緣誤差大的缺陷,同時也大大縮短了確定最優導頻間隔的仿真時間。導頻圖樣的不同會對信道估計產生一定的影響,需要對各種圖樣進行篩選,從中選擇最佳的導頻圖樣。將這些系統用硬件實現[12],用硬件仿真來驗證這些結論,將是我們下一步的研究內容。

[1] 王文博,鄭侃.寬帶無線通信OFDM技術[M].北京:人民郵電出版社,2003:44-46.

WANG Wen-bo,ZHENG Kan.Broadband Wireless OFDM Technology[M].Beijing:People's Posts and Telecommunications Press,2003:44-46.

[2] 張久嶺.基于導頻的OFDM系統信道中導頻圖樣設計的研究[D].廣州:中山大學,2007.

ZHANG Jiu-ling.Channel Pilot Pattern Design Research based on Pilot in OFDM System[D].Guangzhou:Sun Yat-Sen University,2007.

[3] 楊維,孫樂,許昌龍.OFDM系統中導頻信號的設計方法[J].華南理工大學學報:自然科學版,2011, 39(07):63-68.

YANG Wei,SUN le,XU Chang-long.Design Method for Pilot Frequency Signal in OFDM System[J].Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition,2011,39(07):63-68.

[4] 汪晉寬,韓鵬,許鵬.一種適用于OFDM系統的塊狀導頻自適應方案[J].東北大學學報:自然科學版,2011, 32(05):642-645.

WNAG Jin-kuan,HAN Peng,XU Peng.A Kind of A-daptive Scheme Suitable for Block Pilot of OFDM System [J].Journal of Northeastern University:Natural Science Edition,2011,32(05):642-645.

[5] 曹敦,杜宏偉,傅明.基于三次Hermite插值的OFDM信道估計[J].通信技術,2010,43(11):35-54.

CAO Dun,DU Hong-wei,FU Ming.Channel Estimation for OFDM based on Cubic Hermite Interpolation[J]. Communications Technology,2010,43(11):35-54.

[6] LI Chang-yi,ZHENG Guo-xin.Improved Channel Estimation Using Noise Reduction for MB-OFDM UWB Systems[C]//Proceedings of 2006 the IET International Conference on Wireless Mobile&Multimedia Networks. Hangzhou,China:IEEE,2006:513-516.

[7] MICHELE M,UMBERTO M.A Comparison of Pilot-Aided Channel Estimation Methods for OFDM Systems[J]. IEEE Transactions on Signal Processing,2001,49(12): 3065-3073.

[8] STEFANO S,UMBERTO S.Optimizing Training Lengths and Training Intervals in Time-Varying Fading Channels [J].IEEE Transactions on Signal Processing,2009,57 (03):1098-1112.

[9] HARIS G.Joint Iterative Channel Estimation and Guard Interval Selection for Adaptive Powerline Communication Systems[C]//2013 IEEE 17th International Symposium on Power Line Communications and Its Applications. Glasgow,Scotland:IEEE,2013:197-202.

[10] 曾玉龍,羅志年.基于分塊導頻的SC-FDE信道估計改進算法[J].計算機仿真,2012,29(08):131-133.

ZENG Yu-long,LUO Zhi-nian.SC-FDE Channel Estimation Algorithm based on Block Pilot[J].Computer Simulation,2012,29(08):131-133.

[11] 石鈞,劉澤民.梳狀導頻的OFDM信道估計改進算法[J].計算機仿真,2013,30(01):237-240.

SHI Jun,LIU Ze-min.A New Channel Estimation Algorithm based on Comb Pilot in OFDM[J].Computer Simulation,2013,30(01):237-240.

[12] 耿欣,胡捍英.一種基于均勻分布型的MIMO OFDM系統最優導頻設計[J].電路與系統學報,2012, 17(04):70-75.

GENG Xin,HU Han-ying.An Optimal Pilot Design based on Uniform Distribution Type in MIMO OFDM System[J].Journal of Circuits and Systems,2012, 17(04):70-75.

CHEN Li(1988-),female,graduate student,majoring in ultra-wideband signal processing;

曾以成(1962—),男,博士生導師,主要研究方向為信號處理、濾波器理論與設計;

ZENG Yi-cheng(1962-),male,doctoral supervisor, mainly specialized in signal processing,filter theory and design;

楊 丹(1987—),女,碩士研究生,主要研究方向為濾波器設計;

YANG Dan(1987-),female,graduate student,majoring in filter design;

任 偉(1986—),男,碩士研究生,主要研究方向為濾波器設計。

REN Wei(1986-),male,graduate student,majoring in filter design.

Optimal Design of Pilot Pattern in MB-OFDM UWB Systems

CHEN Li,ZENG Yi-cheng,YANG Dan,REN Wei
(Department of Photoelectric Engineering,Xiangtan University,Xiangtan Hunan 411105,China)

Pilot pattern has great influence on channel estimation in MB-OFDM UWB system.In order to test and verify the effect,as well as find the better pilot pattern,the time domain and frequency domain interval of pilots is determined from the biggest multi-path time delay,Doppler frequency shift and the principle of sampling rate balance.By contrast of performance simulation,the influence of different pilot patterns on the channel estimation algorithm and channel interpolation algorithm could be acquired.Simulation experiment with Matlab indicates that this method is much faster than traditional one in pilot pattern design,and thus is of much better performance.And this could provide references for choosing the pilot patterns in different channel estimation methods.

UWB;OFDM;pilot pattern;channel estimation

TN929.5

A

1002-0802(2014)02-0154-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.007

陳 莉(1988—),女,碩士研究生,主要研究方向為超寬帶信號處理;