第5章 MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道估計

1、1 無論是單載波系統(tǒng)還是多載波系統(tǒng)，在接收端，要采用相干解調(diào)無論是單載波系統(tǒng)還是多載波系統(tǒng)，在接收端，要采用相干解調(diào)恢復數(shù)據(jù)信息，都需要較準確的恢復數(shù)據(jù)信息，都需要較準確的CSI作為數(shù)據(jù)處理的必要參數(shù)，所作為數(shù)據(jù)處理的必要參數(shù)，所以，信道估計是影響以，信道估計是影響OFDM系統(tǒng)和系統(tǒng)和MIMO-OFDM系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。和傳統(tǒng)單天線情況下的素。和傳統(tǒng)單天線情況下的OFDM系統(tǒng)相比，系統(tǒng)相比，MIMO-OFDM系統(tǒng)中系統(tǒng)中的的CSI估計更困難些，原因是多天線的使用使得在任一子載波上接估計更困難些，原因是多天線的使用使得在任一子載波上接收到的信號都是多個畸變信號的疊加。當對其中一

2、個接收天線對的收到的信號都是多個畸變信號的疊加。當對其中一個接收天線對的CSI進行估計時，其它發(fā)射天線的發(fā)送信號就是干擾。進行估計時，其它發(fā)射天線的發(fā)送信號就是干擾。第第5章章 MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道估計系統(tǒng)的信道估計5.1 引言引言25.2 信道估計算法信道估計算法信道估計信道估計基于導頻的信道估計基于導頻的信道估計盲信道估計盲信道估計非盲信道估計非盲信道估計基于訓練序列的信道估計基于訓練序列的信道估計（基于塊狀導頻的信道估計）（基于塊狀導頻的信道估計）3ttff基于導頻的信道估計基于導頻的信道估計基于基于訓練序列訓練序列的信道估計的信道估計44.3.1 LS信道估計算法信道估計算法

3、LS方法是使測量值和模型之間的加權(quán)誤差最小。方法是使測量值和模型之間的加權(quán)誤差最小。 NXhYhLShLSh若衰落若衰落的的LS估計用估計用表示，則用表示，則用LS算法估計算法估計的代價函數(shù)為的代價函數(shù)為2)(LSLSJhXYh)()(LSHLShXYhXYLSHHLSHHLSLSHHhXXhYXhhXYYY求求LSh的導數(shù)，使得的導數(shù)，使得 022)(*LSHHLSLSJhXXYXhh5YXYXXXh11HHLSTNNLSxyxyxy1111001YXh即即 LS估計的均方誤差（估計的均方誤差（MSE）可以推得）可以推得 LSLShhhhHLSEMSE YXhYXh11HE ZXZX11HE

4、22xn6 基于訓練序列的信道估計基于訓練序列的信道估計 TNNLSxyxyxy1111001YXh 基于梳狀導頻的信道估計基于梳狀導頻的信道估計 導頻子載波的信道響應導頻子載波的信道響應 TpppppNHHH) 1() 1 ()0(HTpGNHGHH) 1()()0(接收到的導頻信號矢量接收到的導頻信號矢量 TpppppNYYY) 1() 1 ()0(YpN:導頻符號導頻符號個數(shù)個數(shù)pNNG/pppppWIHXY若若7pppppWIHXY) 1(0000) 1 (000)0(pppppNXXXXpW為導頻子載波中的高斯噪聲。為導頻子載波中的高斯噪聲。 在常規(guī)的梳狀導頻估計中，基于在常規(guī)的梳狀

5、導頻估計中，基于LS準則的導頻信號估準則的導頻信號估計可以表示為計可以表示為TpLSpLSpLSpLSpNHHH) 1() 1 ()0(,HppYX1TppppppppNXNYXYXY) 1() 1() 1 () 1 ()0()0(pI是是ICI矢量。矢量。 84.3.2 LMMSE信道估計算法信道估計算法pRRhppph)(1LMMSE對于塊狀導頻信道估計對于塊狀導頻信道估計 pppRRh)(112HnhhhhLMMSE4.3.3 信道插值信道插值1.線性插值線性插值2.齒條插值和三次插值齒條插值和三次插值NXhYphRphEhp 和含噪聲的導頻估計和含噪聲的導頻估計之間的互相關(guān)矩陣。之間的

6、互相關(guān)矩陣。 是是 12)(HnppHEppRppRpp是導頻估計矩陣的自相關(guān)矩陣。是導頻估計矩陣的自相關(guān)矩陣。 93.低通插值低通插值 基于低通濾波器梳狀導頻結(jié)構(gòu)的信道估計框圖基于低通濾波器梳狀導頻結(jié)構(gòu)的信道估計框圖104.4.1 導頻插入間隔以及導頻圖樣導頻插入間隔以及導頻圖樣導頻符號成正方形分布的導頻符號成正方形分布的OFDM符號幀結(jié)構(gòu)符號幀結(jié)構(gòu) 4.4 OFDM系統(tǒng)信道估計系統(tǒng)信道估計11 插入導頻的間隔必須滿足奈奎斯特抽樣定理，即無失插入導頻的間隔必須滿足奈奎斯特抽樣定理，即無失真恢復的抽樣間隔必須小于抽樣信號兩倍帶寬的倒數(shù)。真恢復的抽樣間隔必須小于抽樣信號兩倍帶寬的倒數(shù)。 max)

7、/(1cffN或或cffNmax1dtfTN2)/(1或或TfNdt21cffNmax1實際中實際中TfNdt21向上取整向上取整一幀中包含的所有導頻符號總數(shù)為一幀中包含的所有導頻符號總數(shù)為 tsfcgridNNNNN12由于插入導頻所帶來的開銷為由于插入導頻所帶來的開銷為scgridNNN其信噪比的損失為其信噪比的損失為 11log1010pilotV兩種導頻插入模式兩種導頻插入模式 導頻圖導頻圖134.4.2 時域信道估計算法時域信道估計算法基于訓練符號的時域信道估計算法基于訓練符號的時域信道估計算法 對于訓練符號對于訓練符號 nx，接收到的時域信號為，接收到的時域信號為 cnnnNnxh

8、r, 2 , 1*Xhr121,ccNTNCrrrr其中其中 121,LTLChhhh121,ccNTNC訓練符號列矢量訓練符號列矢量 信道沖激響應列矢量信道沖激響應列矢量 加性噪聲列矢量加性噪聲列矢量 14121321312211LNNNNLNNNNLNNLNNNcccccccccccccxxxxxxxxxxxxxxxxX得到信道沖激響應的估值得到信道沖激響應的估值 XhXXhXrXh1111若有多個訓練符號時，估計時可求平均若有多個訓練符號時，估計時可求平均)(21)(211211121XXhrrXh信道頻域響應的估值信道頻域響應的估值 hHDFT15一維信道估計算法一維信道估計算法4.4

9、.2 頻域信道估計算法頻域信道估計算法1. 基于插入導頻符號的頻域信道估計算法基于插入導頻符號的頻域信道估計算法 162. 基于訓練符號的頻域信道估計基于訓練符號的頻域信道估計LS算法算法 lk第第個符號的第個符號的第個子載波上接收到的頻域符號為個子載波上接收到的頻域符號為klklklklXHR,得到信道頻域響應的估值得到信道頻域響應的估值 *,*,2,*,klklklklklklklklklklXHXXHXRH 若有多個訓練符號，估計時也可利用類似于時域求平若有多個訓練符號，估計時也可利用類似于時域求平均值的方法來平滑噪聲的影響，以提高估計準確度。均值的方法來平滑噪聲的影響，以提高估計準確度

10、。 17LS信信道道估估計計N點點IDFTN點點DFT) 0(LSH) 1 (LSH) 2(NHLS) 1(NHLS) 0(LSh) 1(LhLS) 0(DFTh) 1(LhDFT00) 0(DFTH) 1(NHDFT頻域頻域時域時域頻域頻域)(LhLS) 1(NhLS基于基于DFT 的的OFDM 系統(tǒng)信道估計示意圖系統(tǒng)信道估計示意圖4.4.3 基于基于DFT的信道估計的信道估計18010203040506000.10.20.30.40.50.60.70.80.91采樣點采樣點/個個歸一化幅度歸一化幅度h(t)=(t-Ts)+0.5(t-4Ts)采樣間隔信道情形采樣間隔信道情形19010203

11、040506000.10.20.30.40.50.60.70.80.91采樣點采樣點/個個歸一化幅度歸一化幅度h(t)=(t-1.5Ts) + 0.5(t-4.5Ts)非采樣間隔信道情形非采樣間隔信道情形20LS信信道道估估計計N點點IDFTN點點DFT) 0 (LSH) 1 (LSH) 2(NHLS) 1(NHLS) 0 (LSh) 0 (DFTh) 1(NhDFT00) 0 (DFTH) 1(NHDFT頻域頻域時域時域頻域頻域) 1(NhLS置置零零樣樣值值選選擇擇改進的基于改進的基于DFT 的的OFDM 系統(tǒng)信道估計示意圖系統(tǒng)信道估計示意圖21系統(tǒng)系統(tǒng)使用路徑使用路徑LS063LS-DF

12、T02,6163LS-DFT107,5663LS-DFT2010,5363MMSE063五種系統(tǒng)概況五種系統(tǒng)概況 22510152025-30-25-20-15-10-50信噪比信噪比(dB)MSE(dB)LSLS-DFTLS-DFT1LS-DFT2MMSE最小均方誤差（最小均方誤差（MSE）性能仿真）性能仿真 23024681012141618202210-310-210-1100信噪比信噪比(dB)SERLSLS-DFTLS-DFT1LS-DFT2MMSE誤碼率性能仿真誤碼率性能仿真 誤碼率平臺24MIMO編碼器編碼器),(nkSIFFTIFFT),(1nkR),(TNnkCMIMOCha

13、nnelFFTFFTMIMO解碼器解碼器),(1nkC),(nkS信道信道估計器估計器訓練訓練符號符號),(RNnkR4.5 MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計系統(tǒng)信道估計基于訓練序列的基于訓練序列的 MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計系統(tǒng)信道估計25tf基于訓練序列的信道估計基于訓練序列的信道估計訓練模式：發(fā)送端發(fā)送訓練序列，在接收端根據(jù)接收數(shù)據(jù)訓練模式：發(fā)送端發(fā)送訓練序列，在接收端根據(jù)接收數(shù)據(jù) 和訓練序列計算信道特性。和訓練序列計算信道特性。數(shù)據(jù)傳輸模式：根據(jù)訓練模式計算的信道特性及接收端接數(shù)據(jù)傳輸模式：根據(jù)訓練模式計算的信道特性及接收端接 收的數(shù)據(jù)計算發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。收的數(shù)據(jù)計算發(fā)送端發(fā)送的數(shù)

14、據(jù)。26jjjNCHRTjjjNRR1,0R訓練模式訓練模式MIMO-OFDM系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系：系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系：第第 個天線各個子載波接收信號：個天線各個子載波接收信號：j,10TNidiagdiagdiagCCCC發(fā)送端每個天線發(fā)送的訓練序列：發(fā)送端每個天線發(fā)送的訓練序列：TiiiNCC1,0C第第 個天線信道矩陣（頻域）：個天線信道矩陣（頻域）：jTjNjijjT, 1, 0HHHHTjijijiNHH1,0,H1, 1 , 0RNj27TjjjNNN1,0NjiLji,hFHTjijijiLhh1,0,hjjjNQhR第第 個天線的噪聲矩陣：個天線的噪聲矩陣：j信道特性時域和頻域關(guān)系信

15、道特性時域和頻域關(guān)系MIMO-OFDM系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系另一種表達：系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系另一種表達：,10LNLTdiagdiagFCFCQTjNjijjT, 1, 0hhhhjHHjjHHjNQQQhRQQQh11)()(MIMO-OFDM系統(tǒng)信道沖激響應的系統(tǒng)信道沖激響應的LS估計為估計為28MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計中的訓練序列選擇：系統(tǒng)信道估計中的訓練序列選擇：3. 不同發(fā)射天線的導頻相互正交。不同發(fā)射天線的導頻相互正交。 1. 導頻必須等能量；導頻必須等能量；2. 導頻插入的子信道必須等間隔；導頻插入的子信道必須等間隔；22( /2) / 0jkNA eX k奇數(shù)偶數(shù)kk 不同發(fā)射天線

16、訓練序列正交不同發(fā)射天線訓練序列正交 低低PAPR 抗抗ISI干擾干擾 例：例： 線性調(diào)頻序列線性調(diào)頻序列29為奇數(shù)為偶數(shù)kkkCkC011N2NN1N0)(1nncnncnc加入保護間隔情形加入保護間隔情形OFDM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)訓練序列訓練序列OFDM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送端：發(fā)送端：OFDM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)訓練序列訓練序列OFDM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)接收端：接收端：OFDM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)訓練訓練OFDM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)序列序列發(fā)送端：發(fā)送端：特殊訓練序列情形特殊訓練序列情形接收端：接收端：OFDM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)訓練訓練OFDM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)序列序列3005101520253035404550-20-15-10-50510信噪比信噪比(dB)MSE (

17、dB)隨機訓練序列隨機訓練序列恒包絡隨機訓練序列恒包絡隨機訓練序列特殊訓練序列特殊訓練序列基于基于LS算法算法MIMO-OFDM系統(tǒng)系統(tǒng)MSE性能仿真性能仿真隨機訓練序列：隨機產(chǎn)生訓練序列隨機訓練序列：隨機產(chǎn)生訓練序列恒包絡隨機訓練序列：用恒包絡隨機訓練序列：用E指數(shù)做訓練序列，冪次隨機變化。指數(shù)做訓練序列，冪次隨機變化。特殊訓練序列：線性調(diào)頻序列特殊訓練序列：線性調(diào)頻序列3105101520253035404550-50-40-30-20-10010信噪比信噪比(dB)MSE (dB)不加零特殊訓練序列傳統(tǒng)算法不加零特殊訓練序列傳統(tǒng)算法特殊訓練序列傳統(tǒng)算法特殊訓練序列傳統(tǒng)算法恒包絡隨機訓練序列改進算法恒包絡隨機訓練序列改進算法特殊訓練序列改進算法特殊訓練序列改進算法基于基于LS算法算法MIMO-OFDM系統(tǒng)系統(tǒng)MSE性能仿真性能仿真3205101520253035404550-60-50-40-30-20-10010信噪比(dB)MSE (dB)LS 傳統(tǒng)算法傳統(tǒng)算法改進算法改進算法帶保護間隔傳統(tǒng)算法帶保護間隔傳統(tǒng)算法帶保護間隔改進算法帶保護間隔改進算法基于基于LS算法算法MIMO-OFDM系統(tǒng)系統(tǒng)MSE性能仿真性能仿真330510152025303540455010-210-1100SNR (dB)SER隨機訓練序列傳統(tǒng)算法隨機訓練序列傳統(tǒng)