OFDM通信系統(tǒng)信道估計(jì)的新方法

武廣 端木春江 趙偉

摘 要： 正交頻分復(fù)用 （OFDM） 技術(shù)是現(xiàn)在4G通信和即將到來的5G中的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)其信道進(jìn)行估計(jì)的準(zhǔn)確性直接影響到系統(tǒng)的誤碼率（bit error rate BER）。文章提出了一種新自適應(yīng)分塊錯(cuò)位和周期性的導(dǎo)頻插入模式。此模式能更準(zhǔn)確地估計(jì)OFDM的各子信道狀況。其利用線性插值法估計(jì)出未插入導(dǎo)頻信號(hào)的子信道上的頻率響應(yīng)。仿真結(jié)果顯示，所提出的方法能在同樣的誤碼率要求時(shí)，大幅度地減少發(fā)送端的發(fā)送功率（信噪比增益在4dB以上）。

關(guān)鍵詞： OFDM； 信道估計(jì)； 導(dǎo)頻符號(hào)插入； OFDM信道估計(jì)

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）09-17-02

New method for OFDM communication channel estimation

Wu Guang， Duanmu Chunjiang， Zhao Wei

（School of Mathematics， Physics， and Information Engineering， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang 321004， China）

Abstract： The OFDM is the key technology in the 4G and the upcoming 5G communication systems. The accurate estimation of the channel conditions has a direct influence on the bit error rate of the systems. This paper proposes a new adaptive and periodic pilot sub-channel insertion method. This method can estimate the sub-channels' state of the OFDM in a more accurate way， and the frequency responses of the non-pilot sub-channels are estimated by the method of linear interpolation. Simulation results have demonstrated that the proposed method can greatly reduce the transmission power under the same bit error rate requirement（The SNR gain is more than 4dB）.

Key words： OFDM； channel estimation； pilot sub-channel insertion； OFDM channel estimation

0 引言

正交頻分復(fù)用（OFDM）[1-3]技術(shù)因其能有效對(duì)抗多徑和具有較高的頻譜利用率而被廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)中。由于無線信道的隨機(jī)性、未知性，x使信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)變得尤其重要，能否獲得詳細(xì)的信道信息，從而在接收端正確地解調(diào)出發(fā)射信號(hào)，是衡量一個(gè)無線通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

OFDM信道估計(jì)一般分為盲信道估計(jì)[4]和導(dǎo)頻信道估計(jì)[5]。雖然盲信道估計(jì)可以節(jié)省帶寬，但其運(yùn)算量太大，靈活性很差；而基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)[6]是利用發(fā)送端發(fā)送的少量導(dǎo)頻符號(hào)和接收端收集到的數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性來進(jìn)行信道估計(jì)，從而得到更精確的信道估計(jì)特性，得到廣泛的應(yīng)用研究。衰落信道[7-8]通常分為快衰落信道和慢衰落信道兩種。信道的時(shí)間頻率選擇性衰落導(dǎo)致不同時(shí)間、不同子載波上傳輸信號(hào)的衰落程度各不相同。因此，需要對(duì)信道進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。

1 基于導(dǎo)頻的OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)模型

正交頻分復(fù)用OFDM采用的是多載波調(diào)制技術(shù)，主要是通過減小和消除碼間串?dāng)_的影響來克服信道的頻率選擇性衰落[9]。它的基本原理是：將一個(gè)完整信號(hào)分割為N個(gè)子信號(hào)，然后用N個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制N個(gè)相互正交的子載波。基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)適用于數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)南到y(tǒng)中。通過在發(fā)送端發(fā)送的有用數(shù)據(jù)信道中插入已知的導(dǎo)頻符號(hào)，然后在接收端分離出導(dǎo)頻位置的數(shù)據(jù)，從而得到導(dǎo)頻位置的子信道的頻率響應(yīng)估計(jì)結(jié)果，接著利用導(dǎo)頻位置的信道頻率響應(yīng)的估計(jì)值，通過一些算法（如插值等）得到傳輸數(shù)據(jù)位置（未插入導(dǎo)頻位置）處的子信道的信道估計(jì)結(jié)果，完成信道的估計(jì)。

2 所提出的OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)算法

在本文中，我們采用一種新的自適應(yīng)分塊錯(cuò)位導(dǎo)頻符號(hào)樣式進(jìn)行插入（如圖1所示），在這里加載導(dǎo)頻的子信道，用黑色圓圈來表示，其余空心的圓圈表示加載傳輸數(shù)據(jù)的子信道。對(duì)于相鄰的兩個(gè)OFDM符號(hào)，導(dǎo)頻的插入位置是錯(cuò)開一個(gè)導(dǎo)頻位置的，而不是像傳統(tǒng)方法中那樣在同一位置。我們用M表示插入導(dǎo)頻的時(shí)變參數(shù)因子，即，在一個(gè)OFDM符號(hào)中傳輸（M-1）個(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)后就插入一個(gè)相應(yīng)的導(dǎo)頻符號(hào)，也就是新提出的導(dǎo)頻插入周期是M。在快衰落信道中，M的值必須非常小，而在慢衰落信道中M的值可以大些，只有這樣才能既可以利用OFDM符號(hào)的相關(guān)性又能自適應(yīng)地進(jìn)行高速的傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 本文所采用的導(dǎo)頻插入樣式

所提出的導(dǎo)頻樣式能夠適應(yīng)于時(shí)變信道的情況，并對(duì)時(shí)變的子信道進(jìn)行很好的估計(jì)。同時(shí)，當(dāng)OFDM信道在幾個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)間內(nèi)變化很小或者幾乎沒有變化時(shí)，可以利用不同OFDM符號(hào)之間的子信道的相關(guān)性來進(jìn)行信道估計(jì)并提高估計(jì)精度。在我們的發(fā)明中，采用最近鄰法來估計(jì)傳輸數(shù)據(jù)的子信道，能適合信道非線性的變化。