基于虛擬子載波的LTE信道估計算法設計

【摘 要】分析了經典LTE系統信道估計算法在不同信道條件下的缺陷，為克服傳統信道估計固有的泄漏效應，提升LTE系統信道估計的有效性，提出了基于虛擬子載波拓展的連續相位預測和連續相位周期延拓算法，可有效提升LTE系統吞吐量。數值仿真結果也驗證了所提算法的有效性。

【關鍵詞】信道估計 周期拓展 虛擬子載波

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.08.011 中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）08-0054-04

引用格式：鄧單. 基于虛擬子載波的LTE信道估計算法設計[J]. 移動通信， 2017，41（8）： 54-57.

LTE Channel Estimation Algorithms Based on Virtual Carrier

DENG Dan

[Abstract] The shortcomings of classical channel estimation algorithms in different channel conditions for LTE systems were analyzed in this paper. In overcome the inherent leak effect of traditional channel estimation algorithms and enhance the effectiveness of channel estimations in LTE systems. An algorithm based on the prediction and periodic expansion of continuous phase of virtual carrier expansion was proposed， which can effectively enhance the throughput of LTE systems. Numerical simulation results validate the effectiveness of the proposed algorithm.

[Key words]channel estimation periodic expansion virtual carrier

1 引言

信道估計算法的目的是克服傳輸信道噪聲并準確反映信道特性[1-2]，LTE信道估計一般采用相干估計[3-4]，利用收發雙方已知的導頻序列，準確反映信道在時域上各徑的時延和幅度相位，即時域信道沖擊響應；或是反映信道在頻域上各子載波的幅度相位，即頻域沖擊響應。利用信道估計結果，可以對接收信號進行均衡，以去除信道的影響。衡量信道估計準則一般采用最小平方準則和最小均方誤差準則[5-7]。

對于LTE系統物理上行共享鏈路而言，采用的是塊狀導頻結構，每個時隙有一個符號放置解調參考信號。因此，基站在進行信道估計的時候，首先是要估計出解調參考信號處的信道響應，然后利用參考信號處的信道響應在時域進行平均或插值就可以獲得一個子幀或一個時隙的信道響應值。針對LTE上行信道常用的信道估計算法有最小二乘法、時域去噪法、最小均方誤差法等。

2 算法缺陷分析

LTE上行的導頻結構為連續分布，所占資源數為12的整數倍，若進行時域去噪操作，需要非2冪次方的DFT（Discrete Fourier Transform，離散傅立葉變換）運算。在工程實現中，FFT（Fast Fourier Transform，離散傅立葉變換）運算速度比DFT快，但必須至少為基2的點數才能進行，現有技術一般采用補0的方式將頻域信道沖擊響應補足2冪次方長度以進行FFT運算。以長度為1的導頻為例，若其通過理想信道，其頻域信道沖擊響應為對應12個子載波的12點單位沖擊，即長度為12的全1序列，經過12點DFT，對應為時域信道沖擊響應。若兩邊等長度分別補零到128點，仍通過理想信道，其頻域信道沖擊響應如圖1所示，經過128點FFT，對應時域信道沖擊響應如圖2所示。

對于兩邊補零后的頻域信道沖擊響應，可以看作是原頻域信道沖擊響應與一個理想矩形窗相乘。根據傅里葉變換性質，理想矩形窗的時域形式是辛格函數。因此經過補零后的頻域信道沖擊響應對應的時域信道沖擊響應等于原時域信道沖擊響應與一個辛格函數卷積。且補零點數越多，時域信道沖擊響應越接近連續辛格函數。

所以，通過高低頻域補零的過采樣形式，會導致真實時域信道沖擊響應的功率泄露到整個時域上，即辛格函數的旁瓣上包含了時域信道沖擊響應的信息。對此時補零后的時域信道沖擊響應進行時域去噪，將循環前綴長度外的點全部置零，會使真實時域信道沖擊響應的部分信息丟失，對應亦會破壞時域去噪后的頻域信道沖擊響應，降低了信道估計的準確性。

3 基于虛擬子載波拓展的信道估計算法

對于小資源塊情況，LTE信道估計需要增加數據點數以滿足精度目標。但已證明，頻域信道沖擊響應在低頻和高頻進行補零，性能較差。頻域信道沖擊響應兩邊補充的額外信道沖擊響應所在的頻點，可以認為是虛擬子載波（Virtual Carrier，VC）[8-11]，所占的頻點實際上是存在但并不被該業務占用。

定義利用LS算法估計的頻域信道沖擊響應（1）

其中NC為子載波數且為偶數。定義用于域變換的FFT點數為，即最接近NC的2的冪次方。

利用原頻域信道沖擊響應估計兩邊的虛擬子載波，得到補充后頻域信道沖擊響應：

（2）

式中，長度為，VL為預測的左方（低頻）虛擬子載波，VR為預測的右方（高頻）虛擬子載波。

其中，p=1， 2， …， Npad，Npad=（NFFT-NC）/2。

其中，q=1， 2， …， Npad，Npad=（NFFT-NC）/2。

簡單舉例說明，若原1RB的頻域信道沖擊響應為，進行16點FFT，則補充后頻域

信道沖擊響應為。

其中補充的虛擬子載波分別有，，。在簡單拓展基礎上，還可以考慮進一步的優化拓展，如連續相位預測拓展、相位周期拓展等精細化處理。

4 數值仿真分析

為對不同的信道估計算法進行性能分析，使用計算機仿真進行數值對比分析。需要特別指出的是：在性能對比中使用的業務模型如FRC3.1以及FRC5.4等為IEEE標準文檔中推薦使用的信道模型。上述信道模型與實測的無線信道衰落特性已非常貼切，可用于接收機算法的性能評估，與實際的接收機性能也能良好吻合。在對不同信道估計算法性能對比的過程中，一般文獻也常常采用此類信道模型。

使用的信道估計算法包括：直接DFT、對稱延拓、連續相位預測和連續相位周期延拓。信道衰落環境直接使用高斯白噪聲環境及標準的EPA模型，仿真時間為2000子幀。

在短資源塊業務模型FRC3.1場景下，不同信道估計算法吞吐量曲線如圖3所示。由于連續相位預測和連續相位周期延拓增加了FFT點數，使其能夠較好分辨2.08 μs的時偏和各種信道下不同徑，減少了徑功率泄漏的情況，連續相位預測算法和連續相位周期延拓算法性能相差不大，能抵抗各種信道下的不同頻偏，均較直接DFT和對稱延拓優。

隨著調制階數的提高，直接DFT和對稱延拓性能越來越差，相對來說直接DFT更差。原因在于其FFT點數不同，直接DFT（12點）小于對稱延拓（16點），遠小于連續相位預測、連續相位周期延拓（128點）。點數越小，時間分辨率越低，功率泄漏越嚴重，時域去噪后損失的有用功率增加，使頻域信號發生更嚴重的畸變，而低階調制較高階調制較能容忍星座圖的畸變。

長RB業務模型FRC5.4場景下，不同信道估計算法吞吐量曲線如圖4所示。在長RB情況下，對稱延拓、連續相位預測、連續相位周期延拓三者性能相差不大，而直接DFT性能仍然較差。原因在于前三者均從300點補充到512點，而直接DFT點數沒有增加。可見，FFT點數（時間分辨率）對性能影響較大。

5 結論

本文分析了LTE系統信道估計去噪算法的原理和關鍵問題，揭示了各種算法在不同信道條件下其固有缺陷。提出了連續相位預測和連續相位周期延拓算法能克服現有技術在短資源塊情況下時間分辨率不足的內在缺陷，經仿真證明，性能較經典算法有明顯優勢。

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