劉先橋，高 霞，曾 紀(jì)

（1.軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐某地區(qū)軍事代表室，重慶400030；2.重慶金美通信有限責(zé)任公司,重慶400030）

OFDM系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻的TGn信道估計(jì)

劉先橋1，高 霞2，曾 紀(jì)2

（1.軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐某地區(qū)軍事代表室，重慶400030；2.重慶金美通信有限責(zé)任公司,重慶400030）

正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種正交的多載波復(fù)用技術(shù)，信道估計(jì)技術(shù)作為正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。研究了OFDM系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻的TGn D信道估計(jì)。基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)首先需要對訓(xùn)練序列進(jìn)行信道頻域響應(yīng)估計(jì)，利用本地訓(xùn)練序列和接收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行最小二乘估計(jì)得到；隨后再計(jì)算每個(gè)OFDM符號中導(dǎo)頻子載波的信道頻域響應(yīng)；對導(dǎo)頻子載波的信道頻域響應(yīng)進(jìn)行插值，可得到數(shù)據(jù)符號的信道信息。常用的插值方法為線性插值法和平均值法。仿真對比了兩種算法的估計(jì)效果，仿真結(jié)果表明平均值法計(jì)算量小，得到的信道估計(jì)效果更佳，易于硬件實(shí)現(xiàn)。

OFDM系統(tǒng)；TGn D信道估計(jì)；訓(xùn)練序列；導(dǎo)頻；均衡；插值

1 引言

OFDM技術(shù)的基礎(chǔ)是正交多載波，是一種多載波擴(kuò)頻技術(shù)，最大的優(yōu)點(diǎn)是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾[1]。在OFDM系統(tǒng)中，各個(gè)子信道的載波相互正交，頻譜相互重疊，不但減小了子載波間的相互影響，還提高了頻譜利用率。在接收端OFDM采用相干解調(diào)，由于無線信道在時(shí)域和頻域具有選擇性衰落的特性，必須進(jìn)行信道估計(jì)來獲得信道信息。

信道估計(jì)一般分為非盲估計(jì)和盲估計(jì)，這里討論的是基于導(dǎo)頻的非盲估計(jì)[2]。這種方式需要在發(fā)端適當(dāng)位置插入導(dǎo)頻符號，接收端利用導(dǎo)頻符號恢復(fù)出導(dǎo)頻位置信道信息，利用插值算法來獲取其余數(shù)據(jù)符號位置的信道信息。在有前導(dǎo)符號進(jìn)行初步信道估計(jì)的基礎(chǔ)上，利用各個(gè)數(shù)據(jù)符號的導(dǎo)頻位置信道信息對信道進(jìn)行跟蹤，這里使用線性插值法和平均值法對TGn D信道進(jìn)行信道跟蹤，并通過仿真比較兩種方法的優(yōu)劣。

2 系統(tǒng)模型描述

2.1 OFDM系統(tǒng)描述

假設(shè)信道環(huán)境滿足以下條件：①信道最大延遲小于保護(hù)間隔長度，②信道變化足夠緩慢，可以保證在一個(gè)OFDM符號長度內(nèi)信道沖激響應(yīng)保持不變。接收信號經(jīng)FFT后可表示為[3]：

sk,l為第個(gè)OFDM符號的第個(gè)子載波上的頻域發(fā)送信號為第 l個(gè)OFDM符號的第k個(gè)子載波上的頻域接收信號其中為第 l個(gè) OFDM符號的第k 個(gè)子載波的信道頻域響應(yīng)，為第 k個(gè)子載波的頻域噪聲，方差為

2.2 TGn信道模型描述

TGn模型是IEEE802.11n仿真采用的信道模型[4]，該模型適用于2GHz和5GHz頻段，其應(yīng)用范圍很寬，可以在辦公室、工業(yè)建筑、展覽大廳和家庭等環(huán)境中使用，不同的應(yīng)用環(huán)境具有不同的信道模型，一共6種模型組成了完整的TGn信道模型。表1列出了六種模型對應(yīng)的時(shí)延擴(kuò)展數(shù)，簇個(gè)數(shù)，多徑數(shù)目，最大多徑時(shí)延及對應(yīng)的應(yīng)用場景。

表1 TGn信道模型概況

3 信道估計(jì)與跟蹤算法

3.1 基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)

首先利用訓(xùn)練序列直接進(jìn)行信道估計(jì)，信道頻域響應(yīng)的估計(jì)值可根據(jù)最小二乘準(zhǔn)則直接由下式得到。分別為訓(xùn)練序列第k個(gè)子載波處的接收和發(fā)送信號。為第 k個(gè)子載波的信道頻域響應(yīng)估計(jì)值。

3.2 基于線性插值的信道跟蹤

傳統(tǒng)的信道跟蹤采用插值算法，本系統(tǒng)中的導(dǎo)頻是梳狀導(dǎo)頻，提取出每個(gè)符號中的導(dǎo)頻子載波，共軛乘以導(dǎo)頻子載波位置的長前導(dǎo)信道頻域響應(yīng)，再共軛乘以本地導(dǎo)頻，即可得到導(dǎo)頻子載波位置的信道頻域響應(yīng)。再通過插值得到其他子載波位置的信道頻域響應(yīng)。常用的是一維線性插值，對于邊界子載波，進(jìn)行復(fù)制，中間的子載波利用邊界的兩個(gè)導(dǎo)頻進(jìn)行線性插值[5]。

表一個(gè)OFDM符號中插入的導(dǎo)頻點(diǎn)個(gè)數(shù)，N代表相鄰的導(dǎo)頻點(diǎn)間的間隔數(shù)，m代表導(dǎo)頻點(diǎn)的序號，i代表任一點(diǎn)與其前一個(gè)相鄰導(dǎo)頻點(diǎn)的間隔數(shù)，代表任意一點(diǎn) k的信道估計(jì)值，代表第m個(gè)導(dǎo)頻點(diǎn)處的信道估計(jì)值。

3.3 平均法進(jìn)行信道跟蹤

由于線性插值算法在硬件中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，特別是在導(dǎo)頻子載波間隔不相等的情況下，每兩個(gè)導(dǎo)頻子載波的插值公式不同，并且很多除法處理，導(dǎo)致收端處理性能下降。

為了提高硬件處理效率，優(yōu)化算法，將信道跟蹤算法簡化為下式所示[6]：

3.4 信道均衡

對每個(gè)OFDM符號的每個(gè)子載波的預(yù)測可以用均衡計(jì)算得到。每個(gè)OFDM符號的信道頻域響應(yīng)由訓(xùn)練序列的頻域響應(yīng)和當(dāng)前符號的信道跟蹤因子決定，那么可得到：第sym個(gè)OFDM符號的第k個(gè)子載波的預(yù)測值為[7]：

4 仿真結(jié)果

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

參照802.11n，本文所用的OFDM系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

4.2 仿真流程圖

仿真流程圖如圖1所示，首先生成發(fā)端的前導(dǎo)符號和數(shù)據(jù)符號，組幀，形成完整的數(shù)據(jù)幀；經(jīng)過TGn D信道，送到接收端；收端首先進(jìn)行同步，并作相應(yīng)的頻偏估計(jì)與糾正；再進(jìn)行FFT變換將數(shù)據(jù)變換到頻域；再進(jìn)行基于前導(dǎo)的信道估計(jì)和基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)[8]。這里使用兩種插值方法對信道進(jìn)行跟蹤，即線性插值法和平均值法，得到信道跟蹤值后結(jié)合前導(dǎo)信道估計(jì)值對信道進(jìn)行均衡，得到收端頻域數(shù)據(jù)，再進(jìn)行硬判決，計(jì)算兩種方法下的誤碼率，并進(jìn)行對比。

圖1 仿真流程圖

4.3 仿真結(jié)果

根據(jù)前導(dǎo)進(jìn)行信道估計(jì)，得到的TGn D信道的幅值特性如圖2所示。

圖2 TGn D信道響應(yīng)幅度特性

分別將線性插值的信道跟蹤算法和平均法得到的誤碼率統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行比較，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種方法誤碼率對比圖

從仿真結(jié)果來看，平均值法進(jìn)行信道跟蹤時(shí)，誤碼率比線性插值法稍小。在計(jì)算量來看，平均值法減少了一定的計(jì)算量，能得到相當(dāng)?shù)墓烙?jì)效果，節(jié)約了硬件資源，提高了估計(jì)效果。

5 結(jié)束語

OFDM系統(tǒng)受到越來越廣泛的運(yùn)用，基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)是該系統(tǒng)的重要步驟。研究了TGn D信道估計(jì)中信道插值的兩種算法，從仿真結(jié)果看，平均值法比線性插值法估計(jì)效果更優(yōu)，計(jì)算量更小，更利于在硬件中實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用范圍更廣。

[1]宋水正,何春,田丹等.OFDM中基于導(dǎo)頻的加窗FFT信道估計(jì)[J].通信技術(shù),2011,44(2):19-21. Song Shui-zheng,He Chun,Tian Dan et al.Channel Estimation for Pilot-based Windowed FFT in OFDM System[J]. Communications Technology,2011,44(2):19-21.

[2]石鈞，劉澤民.梳狀導(dǎo)頻的OFDM信道估計(jì)改進(jìn)算法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013，30(1)：237-240. Shi Jun,Liu Ze-min.New Improved Channel Estimation Algorithm in OFDM[J].Computer simulation.2013,30(1): 237-240.

[3]陳暉,陳曉光.基于直接判決和導(dǎo)頻跟蹤的OFDM系統(tǒng)快時(shí)變信道估計(jì)[J].通信學(xué)報(bào),2006,27(9):1-5. Cheng Hui,Chen Xiao-guang.Channel estimation for time varying channel based on decision directed technique in OFDM mobile systems[J].Journal on Communications, 2006,27(9):1-5.

[4]Erceg V.TGn Channel Models[DB/OL].IEEE 802.11 document 03/940r4,May 2004.

[5]胡蝶,楊綠溪.OFDM系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻的時(shí)變信道估計(jì)[J].電子與信息學(xué)報(bào),2004,26(9):1376-1382. Hu Die,Yang Lu-xi.Time-Varying Channel Estimation Based on Pilot Tones in OFDM Systems[J].Journal of Electronics&information Technology.2004,26(9):1376-1382.

[6]郝建華,史勛棟,藺福強(qiáng).寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)[J].理論與方法,2010,29(1):20-23. Hao Jian-hua,Shi Xun-dong,Lin Fu-qiang.Channel estimation based on pilot in broadband mobile communication system[J].Theory and Method,2010,29(1):20-23.

[7]孔令坤.OFDM導(dǎo)頻信道估計(jì)算法研究及其在802_16e中的應(yīng)用[D].福建:東南大學(xué),2006. Kong Ling-kun.Pilot-Symbol-Aided Channel Estimation for OFDM systems and its application in 802.16e[D].Fu Jian:Southeast University,2006.

[8]Ji-Woong Choi,Yong-Hwan Lee Optimum Pilot Pattern for Channel Estimation in OFDM Systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications(S1536-1276),2005,4 (5):2083-2088.

Pilot-based TGn Channel Estimation in OFDM System

Liu Xianqiao1，Gao Xia2，Zeng Ji2，
（1.Military Representatives Bureau in XX of Communication Department,Commission of Equipment Development Department of PLA General Staff,Chongqing 400030,China; 2.Chongqing Jinmei Communication Co.,Ltd.,Chongqing 400030,China）

Frequency Division Multiplexing(OFDM)is a multiplexing technology of orthogonal multi-carrier.TGn D channel estimation technology,as the key technology in OFDM Communication system,is studied in this paper.The channel estimation based on pilot LS estimation is used to calculate training sequence channel response in frequency domain,then the pilot carriers of each symbol channel response in frequency domain are calculated,and the channel frequency response of each OFDM symbol pilot sub carrier,linear interpolation and average of pilot channel information are studied.The simulation results show that average algorithm is better with lower bit error rate and low computational cost,and it is easy to realize on hardware.

OFDM system;TGn D channel estimation;Training sequence;Pilot;Interpolation; Equilibrium

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.009

TN911.4

A

1002-2279-（2017）01-0033-03

劉先橋（1978-），男，山東人，碩士研究生，工程師，主研方向：無線通信與圖像處理。

2016-07-20