【摘 要】分析了經(jīng)典LTE系統(tǒng)信道估計(jì)算法在不同信道條件下的缺陷，為克服傳統(tǒng)信道估計(jì)固有的泄漏效應(yīng)，提升LTE系統(tǒng)信道估計(jì)的有效性，提出了基于虛擬子載波拓展的連續(xù)相位預(yù)測(cè)和連續(xù)相位周期延拓算法，可有效提升LTE系統(tǒng)吞吐量。數(shù)值仿真結(jié)果也驗(yàn)證了所提算法的有效性。

【關(guān)鍵詞】信道估計(jì) 周期拓展 虛擬子載波

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.08.011 中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jì)算法設(shè)計(jì)[J]. 移動(dòng)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(jì)算法的目的是克服傳輸信道噪聲并準(zhǔn)確反映信道特性[1-2]，LTE信道估計(jì)一般采用相干估計(jì)[3-4]，利用收發(fā)雙方已知的導(dǎo)頻序列，準(zhǔn)確反映信道在時(shí)域上各徑的時(shí)延和幅度相位，即時(shí)域信道沖擊響應(yīng)；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(yīng)。利用信道估計(jì)結(jié)果，可以對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行均衡，以去除信道的影響。衡量信道估計(jì)準(zhǔn)則一般采用最小平方準(zhǔn)則和最小均方誤差準(zhǔn)則[5-7]。

對(duì)于LTE系統(tǒng)物理上行共享鏈路而言，采用的是塊狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，每個(gè)時(shí)隙有一個(gè)符號(hào)放置解調(diào)參考信號(hào)。因此，基站在進(jìn)行信道估計(jì)的時(shí)候，首先是要估計(jì)出解調(diào)參考信號(hào)處的信道響應(yīng)，然后利用參考信號(hào)處的信道響應(yīng)在時(shí)域進(jìn)行平均或插值就可以獲得一個(gè)子幀或一個(gè)時(shí)隙的信道響應(yīng)值。針對(duì)LTE上行信道常用的信道估計(jì)算法有最小二乘法、時(shí)域去噪法、最小均方誤差法等。

2 算法缺陷分析

LTE上行的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)為連續(xù)分布，所占資源數(shù)為12的整數(shù)倍，若進(jìn)行時(shí)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(yùn)算。在工程實(shí)現(xiàn)中，F(xiàn)FT（Fast Fourier Transform，離散傅立葉變換）運(yùn)算速度比DFT快，但必須至少為基2的點(diǎn)數(shù)才能進(jìn)行，現(xiàn)有技術(shù)一般采用補(bǔ)0的方式將頻域信道沖擊響應(yīng)補(bǔ)足2冪次方長(zhǎng)度以進(jìn)行FFT運(yùn)算。以長(zhǎng)度為1的導(dǎo)頻為例，若其通過(guò)理想信道，其頻域信道沖擊響應(yīng)為對(duì)應(yīng)12個(gè)子載波的12點(diǎn)單位沖擊，即長(zhǎng)度為12的全1序列，經(jīng)過(guò)12點(diǎn)DFT，對(duì)應(yīng)為時(shí)域信道沖擊響應(yīng)。若兩邊等長(zhǎng)度分別補(bǔ)零到128點(diǎn)，仍通過(guò)理想信道，其頻域信道沖擊響應(yīng)如圖1所示，經(jīng)過(guò)128點(diǎn)FFT，對(duì)應(yīng)時(shí)域信道沖擊響應(yīng)如圖2所示。

對(duì)于兩邊補(bǔ)零后的頻域信道沖擊響應(yīng)，可以看作是原頻域信道沖擊響應(yīng)與一個(gè)理想矩形窗相乘。根據(jù)傅里葉變換性質(zhì)，理想矩形窗的時(shí)域形式是辛格函數(shù)。因此經(jīng)過(guò)補(bǔ)零后的頻域信道沖擊響應(yīng)對(duì)應(yīng)的時(shí)域信道沖擊響應(yīng)等于原時(shí)域信道沖擊響應(yīng)與一個(gè)辛格函數(shù)卷積。且補(bǔ)零點(diǎn)數(shù)越多，時(shí)域信道沖擊響應(yīng)越接近連續(xù)辛格函數(shù)。

所以，通過(guò)高低頻域補(bǔ)零的過(guò)采樣形式，會(huì)導(dǎo)致真實(shí)時(shí)域信道沖擊響應(yīng)的功率泄露到整個(gè)時(shí)域上，即辛格函數(shù)的旁瓣上包含了時(shí)域信道沖擊響應(yīng)的信息。對(duì)此時(shí)補(bǔ)零后的時(shí)域信道沖擊響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域去噪，將循環(huán)前綴長(zhǎng)度外的點(diǎn)全部置零，會(huì)使真實(shí)時(shí)域信道沖擊響應(yīng)的部分信息丟失，對(duì)應(yīng)亦會(huì)破壞時(shí)域去噪后的頻域信道沖擊響應(yīng)，降低了信道估計(jì)的準(zhǔn)確性。

3 基于虛擬子載波拓展的信道估計(jì)算法

對(duì)于小資源塊情況，LTE信道估計(jì)需要增加數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)以滿足精度目標(biāo)。但已證明，頻域信道沖擊響應(yīng)在低頻和高頻進(jìn)行補(bǔ)零，性能較差。頻域信道沖擊響應(yīng)兩邊補(bǔ)充的額外信道沖擊響應(yīng)所在的頻點(diǎn)，可以認(rèn)為是虛擬子載波（Virtual Carrier，VC）[8-11]，所占的頻點(diǎn)實(shí)際上是存在但并不被該業(yè)務(wù)占用。

定義利用LS算法估計(jì)的頻域信道沖擊響應(yīng)（1）

其中NC為子載波數(shù)且為偶數(shù)。定義用于域變換的FFT點(diǎn)數(shù)為，即最接近NC的2的冪次方。

利用原頻域信道沖擊響應(yīng)估計(jì)兩邊的虛擬子載波，得到補(bǔ)充后頻域信道沖擊響應(yīng)：

（2）

式中，長(zhǎng)度為，VL為預(yù)測(cè)的左方（低頻）虛擬子載波，VR為預(yù)測(cè)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(jiǎn)單舉例說(shuō)明，若原1RB的頻域信道沖擊響應(yīng)為，進(jìn)行16點(diǎn)FFT，則補(bǔ)充后頻域

信道沖擊響應(yīng)為。

其中補(bǔ)充的虛擬子載波分別有，，。在簡(jiǎn)單拓展基礎(chǔ)上，還可以考慮進(jìn)一步的優(yōu)化拓展，如連續(xù)相位預(yù)測(cè)拓展、相位周期拓展等精細(xì)化處理。

4 數(shù)值仿真分析

為對(duì)不同的信道估計(jì)算法進(jìn)行性能分析，使用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行數(shù)值對(duì)比分析。需要特別指出的是：在性能對(duì)比中使用的業(yè)務(wù)模型如FRC3.1以及FRC5.4等為IEEE標(biāo)準(zhǔn)文檔中推薦使用的信道模型。上述信道模型與實(shí)測(cè)的無(wú)線信道衰落特性已非常貼切，可用于接收機(jī)算法的性能評(píng)估，與實(shí)際的接收機(jī)性能也能良好吻合。在對(duì)不同信道估計(jì)算法性能對(duì)比的過(guò)程中，一般文獻(xiàn)也常常采用此類(lèi)信道模型。

使用的信道估計(jì)算法包括：直接DFT、對(duì)稱(chēng)延拓、連續(xù)相位預(yù)測(cè)和連續(xù)相位周期延拓。信道衰落環(huán)境直接使用高斯白噪聲環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)的EPA模型，仿真時(shí)間為2000子幀。

在短資源塊業(yè)務(wù)模型FRC3.1場(chǎng)景下，不同信道估計(jì)算法吞吐量曲線如圖3所示。由于連續(xù)相位預(yù)測(cè)和連續(xù)相位周期延拓增加了FFT點(diǎn)數(shù)，使其能夠較好分辨2.08 μs的時(shí)偏和各種信道下不同徑，減少了徑功率泄漏的情況，連續(xù)相位預(yù)測(cè)算法和連續(xù)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(duì)稱(chēng)延拓優(yōu)。

隨著調(diào)制階數(shù)的提高，直接DFT和對(duì)稱(chēng)延拓性能越來(lái)越差，相對(duì)來(lái)說(shuō)直接DFT更差。原因在于其FFT點(diǎn)數(shù)不同，直接DFT（12點(diǎn)）小于對(duì)稱(chēng)延拓（16點(diǎn)），遠(yuǎn)小于連續(xù)相位預(yù)測(cè)、連續(xù)相位周期延拓（128點(diǎn)）。點(diǎn)數(shù)越小，時(shí)間分辨率越低，功率泄漏越嚴(yán)重，時(shí)域去噪后損失的有用功率增加，使頻域信號(hào)發(fā)生更嚴(yán)重的畸變，而低階調(diào)制較高階調(diào)制較能容忍星座圖的畸變。

長(zhǎng)RB業(yè)務(wù)模型FRC5.4場(chǎng)景下，不同信道估計(jì)算法吞吐量曲線如圖4所示。在長(zhǎng)RB情況下，對(duì)稱(chēng)延拓、連續(xù)相位預(yù)測(cè)、連續(xù)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(diǎn)補(bǔ)充到512點(diǎn)，而直接DFT點(diǎn)數(shù)沒(méi)有增加?？梢?jiàn)，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)（時(shí)間分辨率）對(duì)性能影響較大。

5 結(jié)論

本文分析了LTE系統(tǒng)信道估計(jì)去噪算法的原理和關(guān)鍵問(wèn)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(xù)相位預(yù)測(cè)和連續(xù)相位周期延拓算法能克服現(xiàn)有技術(shù)在短資源塊情況下時(shí)間分辨率不足的內(nèi)在缺陷，經(jīng)仿真證明，性能較經(jīng)典算法有明顯優(yōu)勢(shì)。

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