| 标题 | 基于导频的OFDM信道估计方法 |
| 范文 | 陈燕 摘要：随着现代科技不断发展以及社会的进步，越来越多的研究人员开始更多地关注无线宽带数字通信系统的发展。制约这个系统的传输性能和信息速率的主要因素之一，则是无线信道时延扩展引起的符号间干扰。因此，消除符号间干扰，以及由无线信道时延扩展引起的频率选择性衰减，成为无线宽带通信系统中必须要解决的问题，在研究过程中正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM）技术显现出了其明显的优势。因此OFDM成为下一代宽带移动通信系统的候选方案。 关键词：无线宽带数字通信系统 符号间干扰 频率选择性衰减 OFDM 1 研究背景 移动通信系统是现代通信系统中的重要组成部分。它是指参与通信双方或至少一方信息的传递与交换必须是在移动中完成的。目前，移动通信技术在发展速度方面、技术的更新换代方面以及市场容量方面均显现出了其领先地位。而个人通信作为未来移动通信技术的目标，即实现任何人在任何时间任何地点以任何形式进行通信。 作为第二代移动通信系统的改进，第三代移动通信系统只是实现了从窄带通信系统向未来移动通信系统的过渡，而不是真正实现了宽带接入系统，因此人们对第三代移动通信系统之后（即4G）的研究日益关注，而研究的重点则是考虑在系统容量、通信质量、数据传输速率方面作进一步改进。第四代移动通信系统在消除符号间干扰以及频率选择性衰落中借助正交频分复用（OFDM）技术来提高频率利用率，速率的确有一定程度的改进，并且在原有基础上实现了扩容，使用户享受到宽带多媒体业务。第四代改善了无线信道下高速数据多径衰落的情况，减少了符号间的干扰，降低了噪声，系统性能大大提升。 2 OFDM基本原理 为了提高信号的抗多径干扰和抗衰落能力，首先把发送端需要发送的数据流分散到若干个子载波上，以免单个子载波的信号速率过高。同时，OFDM中所有子载波在正交情况下，使频谱重叠1/2，以便接收端可基于相关解调技术将各载波分离出来，并且可以消除码间干扰的影响。 ■ 图1 OFDM系统模型图 信道估计作为相关检测、解调、均衡的基础，成为了通信领域的研究热点之一。根据发送端所采用的调制方式（包括差分或非差分）的不同，在接收端可以用不同的方法加以解调。在发射机采用非差分调制的情况下，要求接收机就必须以相干解调的方式加以恢复。而在相干解调中每个子载波必须是同步的或者相位的偏移是已知的。与此同时，需要通过信道估计来提供信道传输系数的估计值，以确保接收机显示这部分信息。 3 OFDM系统中信道估计算法的分类 如何将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输是OFDM考虑的一个重点。对于低速并行的子载波，通过扩展符号周期，可以有效控制多径效应所造成的时延扩展的影响程度。将保护时间插入OFDM符号后，码间干扰的影响就基本上可以忽略不计了。 在OFDM系统中可用差分方式的调制解调，如DAB采用OFDM+DPSK，也可以用相干方式，如DVB-T采用OFDM-64QAM，还可以采用非相干方式。采用非相干方式和差分方式时，无需进行信道估计和信道均衡，而采用相干方式解调就必须进行信道估计和均衡。对于高速率数据舱来说，差分方式比相干方式的性能要差3dB。为了获得更好的性能，对高数据速率系统要采用相干方式解调。 根据实现途径，可将信道估计划分为频域信道估计算法和时域信道估计算法。时域信道估计算法根据的是时域抽样定理，相应的频域算法根据频域的抽样定理。事实上，只有符合抽样定理，才能进行DFT/IDFT变换，从而理论上得到无失真的原信号。 根据是否使用辅助数据，把OFDM系统的信道估计粗略地划分为： ①盲估计：采用盲估计方法时，即便发送数据未知，也不影响接收机对信道估计的完成情况，并且发送机无需发送特殊训练序列。该方法大大提高了系统的频谱效率，但为了得到可靠的信道估计接收机必须接收到足够多的数据符号。 ②半盲估计：该方法实际是在数据传输效率与收敛速度之间做一个折中，也就是借助少量的训练序列来获取信道数据。 ③非盲估计：无线移动系统的信道时时变动，在很大程度上均限制了盲估计算法的使用。所以通常对无线通信系统来说，都必须定期或不定期地发送一定的训练序列来训练接收机的信道估计器。在使用这种方法达到我们的目的的同时，又会造成带宽和功率损失，因此，比较适用于突发方式的传输系统，如WLAN等。在OFDM系统中，通常是利用规定某些子载波在需要的时刻传送训练序列，从而实现维持各子载波相互之间的正交性的目的，将这种方法称为导频。 4 基于导频的OFDM信道估计方法 4.1 基本过程 将导频插入发送端。借助导频，导频位置的信道信息可通过接收端进行恢复，继而通过内插、滤波、变换等方式获取所有时段的信道数据。 4.2 步骤 ①发送端导频的选择与插入。 ■ 图2 梳状导频插入 图3 块状导频插入 ②通过研究如何最有效地从导频位置恢复出导频时刻的信道信息，接收端基于所接收的导频位置的信号估计信道传输参数■。 ③将导频插入数据流中进行信道估计，就能够参考已知点上信道响应的采样值对整个信道的响应进行估计。 4.3 信道估计的实现 信道估计的目的就是通过接收到的Z来估计信道的频率响应H。常用的有两种信道估计方法：最大似然准则（MLE）和最小均方误差准则（MMSE）。 4.3.1 最大似然估计 使P（z；h）？垲■exp[■Z Bh■Z Bh极大 可以得到h的最大似然估值，即求S？垲Z Bh■Z Bh的最小值■■？垲（BHB）lBHZ，■■？荥■。 4.3.2 最小均方误差准则（MMSE） 在无线信道中，假设h是一个Rayleigh分布的L*1复矢量， 使■（Z/h）？垲[Z ■（h）HS[Z ■（h）]P（h/Z）达到最小， ■■？垲（σ2Ch1 BHB）1BHr/λ， 其中Ch？垲E{hhH}，■■？荥■。 5 结论 本文对OFDM信道估计算法的研究背景、基本原理、分类以及实现方法进行了系统的分析和深入的探讨，并进行了仿真实验。随着宽带移动通信技术的发展，对OFDM技术的研究也持续推进，下一代的移动通信已经将其作为全面提高性能的核心技术。当然在研究的过程中，还有很多复杂的问题有待解决，如实现OFDM的关键技术之一，同步技术。 参考文献： [1]Zhou Wenan，Li Zhen，Song Junde，Wang Daoyi.Applying OFDM in the generation mobile Communications[J].Electrical and Computer Engineering，2002.IEEE CCECE 2002.Canadian Conference on，2002，3：1589-1593. [2]李悦，李子，蔡跃明，徐友云.OFDM系统中基于导频的低秩信道估计方法[J].通信学报，2004（10）：155-162. [3]王文涛，覃华伟，张业荣.WLAN OFDM系统信道估计技术[J].南京邮电学院学报（自然科学版），2004（2）：57-60. |
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