OFDM信道估計技術(shù)綜述

1、- OFDM 信道估計技術(shù)綜述專業(yè)：080411卓越 學生*：李震 指導教師：姚如貴完成時間：20:28. z- OFDM 信道估計技術(shù)綜述一國外研究進展2二導頻插入方式3三OFDM 系統(tǒng)原理4四信道估計的重要意義5五OFDM系統(tǒng)信道估計研究現(xiàn)狀6六簡單算法介紹8七小結(jié)10. z-一國外研究進展20世紀70年代，韋斯坦Weistein和艾伯特Ebert等人應(yīng)用離散傅里葉變換DFT和快速傅里葉方法FFT研制了一個完整的多載波傳輸系統(tǒng)，叫做正交頻分復(fù)用OFDM)系統(tǒng)。正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被看作是一種復(fù)用技術(shù),OFDM應(yīng)用DFT和其逆

2、變換IDFT方法解決了產(chǎn)生多個互相正交的子載波和從子載波中恢復(fù)原信號的問題。OFDM技術(shù)的應(yīng)用已有近40年的歷史，主要用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)。但是OFDM系統(tǒng)的構(gòu)造非常復(fù)雜，從而限制了其進一步推廣。直到20世紀70年代，人們采用離散傅立葉變換來實現(xiàn)多個載波的調(diào)制，簡化了系統(tǒng)構(gòu)造，使得OFDM技術(shù)更趨于實用化。80年代，人們研究如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速MODEM。進入90年代以來，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。由于OFDM的頻率利用率最高，又適用于FFT算法處理，近年來在多種系統(tǒng)得到成功的應(yīng)用，在理論和技術(shù)上已經(jīng)成熟。因此，3GPP/3GPP2成員多數(shù)推薦OFDM

3、作為第四代移動通訊無線接入技術(shù)之一。目前,OFDM技術(shù)在4G LTE技術(shù)中已得到使用，是LTE三大關(guān)鍵技術(shù)之一，預(yù)計在5G仍然作為主要的調(diào)制方式。它相對于單載波主要優(yōu)點在于 頻譜利用率高在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用多路傳輸方式中，將頻帶分為假設(shè)干個不相交的子頻帶來傳輸并行的數(shù)據(jù)流，在接收端用一組濾波器來別離各個子信道。此種方法簡單、直接，缺點是頻譜利用率低，此外子信道之間要留有足夠的保護頻帶，而且多個濾波器的實現(xiàn)也有不少困難。而OFDM 系統(tǒng)由于各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此OFDM 系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源 抗多徑干擾把高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持

4、續(xù)長度相應(yīng)增加，從而可以減小無線信道的時間彌散性所帶來的符號間干擾(Inter Symbol Interferences, ISI)，這樣就減小了接收機均衡的復(fù)雜度，有時甚至可以不采用均衡器，僅通過采用插入循環(huán)前綴(Cyclic Prefi*, CP)的方法就可以消除ISI 的不利影響。 實現(xiàn)相比照擬簡單各個子信道間的正交性的調(diào)制與解調(diào)可以利用 IDFT 和DFT 實現(xiàn)，對于子載波數(shù)比較大的情況下，可以通過IFFT/FFT 算法來實現(xiàn)。不需要使用多個發(fā)送和接收濾波器組，相對傳統(tǒng)通信系統(tǒng)復(fù)雜度大大降低。 上、下行鏈路可以使用不同的傳輸速率無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要

5、遠遠大于上行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸量，此外移動終端發(fā)射功率與基站發(fā)射功率相差很大。所以對于移動通信，物理層需要支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM 系統(tǒng)可以容易地通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行與下行鏈路中不同的傳輸速率。 動態(tài)比特分配和動態(tài)子信道分配由于無線信道存在頻率選擇性，不可能所有的子載波都同時處于比較深的衰落情況中，OFDM 系統(tǒng)可以通過動態(tài)比特分配和動態(tài)子信道分配的方法充分利用信噪比較高的子信道，從而提高系統(tǒng)的性能。 與其它多種接入方法相結(jié)合OFDM 系統(tǒng)可以與其它多種接入方法相結(jié)合，構(gòu)成OFDMA 系統(tǒng)，包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM 以及OFDM-TDMA 等等，使得多個

6、用戶可以同時利用OFDM 技術(shù)進展信息的傳輸。OFDMA 是802.11d，802.11e 的關(guān)鍵技術(shù)，也是備受關(guān)注的。當然，與單載波系統(tǒng)比，OFDM也有一些困難問題需要解決。這些問題主要是：第一，同步問題。理論分析和實踐都說明，OFDM系統(tǒng)對同步系統(tǒng)的精度要求更高，大的同步誤差不僅造成輸出信噪比的下降，還會破壞子載波間的正交性，造成載波間干擾，從而大大影響系統(tǒng)的性能，甚至使系統(tǒng)無常工作。第二，OFDM信號的峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)往往很大，使它對放大器的線性圍要求大，同時也降低了放大器的效率。OFDM在未來通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，特別是在未

7、來移動多媒體通信中的應(yīng)用，將取決于上述問題的解決程度。二導頻插入方式 1方式a：TDM插入方式。導頻在所有子載波上發(fā)送，時域的最小單元是一個包含導頻信息的OFDM符號，系統(tǒng)每隔假設(shè)干個數(shù)據(jù)符號傳送一個導頻符號。這種插入方式適用于時域變化小的信道，如室環(huán)境。 2方式b：FDM插入方式。導頻信息在時域上持續(xù)發(fā)送，在頻域上只占用少數(shù)特定的預(yù)留子載波，每隔假設(shè)干子載波發(fā)送一個導頻子載波。這種插入方式對移動性的支持較好，但需要在頻域上進展插。 3方式c：離散插入方式。這種插入方式是FDM和TDM方式的結(jié)合。在頻域上，每隔假設(shè)干子載波插入一個導頻子載波。在時域上，每隔假設(shè)干個符號插入一個導頻符號。這種插入

8、方式可以充分利用頻域和時域上的相關(guān)性，用盡可能小的導頻開銷，支持高精度的信道估計，但這種方法需要同時在頻域和時域上做插。不同的導頻插入方式適用于不同的用途如同步、相位噪聲補償、信道估計等，例如，采用專用的導頻子載波即FDM插入方式適合用于相位補償和載頻的微調(diào)；采用專用的導頻符號即TDM插入方式適合用于信道估計和時域/頻域的粗同步; 而離散的導頻插入可同時用于信道估計和載頻偏移的微調(diào)，從而有效地減少導頻的開銷。具體采用哪種插入方式，還要根據(jù)系統(tǒng)的實際需求選擇。三OFDM 系統(tǒng)原理 正交頻分復(fù)用 OFDM 是一種多載波調(diào)制方式，其根本思想是把高速的串行數(shù)據(jù)流通過多個相互正交的載波進展調(diào)制，從而變換

9、成多路低速的并行數(shù)據(jù)流發(fā)射。正由于這樣的特點，從頻域上看，OFDM 技術(shù)將所給信道分成假設(shè)干個正交的子信道，使每個子信道都呈現(xiàn)近似平坦的頻譜特性，從而可以很好的抑制頻率選擇性衰落，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互子載波間干擾(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾(ISI)在 OFDM 系統(tǒng)中，每個OFDM 符號是多個經(jīng)過調(diào)制的子載波信號之和，其中每個子載波的調(diào)制方式可以選擇相移鍵控(PSK)或者正交幅度調(diào)制(QAM)。如果用來傳輸數(shù)據(jù)的正交子載波的個數(shù)為N ，

10、一個OFDM 符號的時間長度為T ，di(i=0,1,n-1) 為每個子載波上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號，其中零號子載波的載波頻率為fc，則t = ts開場的一個已經(jīng)調(diào)制的OFDM符號s(t)的數(shù)學表達式為：從時域來看正交子載波的時域波形這種正交性還可以通過頻域更直觀地來理解。因為每個 OFDM 符號包含了多個非零的子載波，因此其頻譜可以看作是周期為T 的矩形脈沖的頻譜與各個子載波的脈沖響應(yīng)函數(shù) (t)的卷積 在OFDM 信號頻譜中各個子信道的頻譜相互重疊，在一樣子載波條件下其帶寬只占傳統(tǒng)頻分復(fù)用系統(tǒng)的一半，因此頻譜利用率高也是OFDM 系統(tǒng)的一大優(yōu)勢。四信道估計的重要意義信道估計是從接收數(shù)據(jù)中將信道模型

11、參數(shù)估計出來的過程，是實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。能否獲得詳細的信道信息，從而在接收端正確地解調(diào)出發(fā)射信號，是衡量一個無線電通信系統(tǒng)性能的重要指標。因此，對于信道估計算法的研究是一項有重要意義的工作。OFDM調(diào)制技術(shù)的根本原理就是將總的信道帶寬分成多個帶寬相等的子信道，每個子信道單獨通過各自的子載波調(diào)制各自的信息符號并且各符號具有一樣的符號間隔，各個子信道間頻譜相互重疊且正交。在實際應(yīng)用中，通常有相干OFDM系統(tǒng)和非相干OFDM系統(tǒng)之分。如果發(fā)射端使用差分編碼，傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到子載波間的變化中，接收端可以使用不需要信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)便

12、能夠完成解調(diào)的非相干差分解調(diào)技術(shù)，系統(tǒng)接收端可以得到一定的簡化，這種方法的最大優(yōu)點是接收端不需要知道CSI，因此接收機比較簡單。其缺點是與相干OFDM系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的傳輸性能要降低3-4dB。并且無法利用頻帶利用率高的多電平調(diào)制技術(shù)。為了彌補這一損失，系統(tǒng)采用相干OFDM系統(tǒng)，相干OFDM系統(tǒng)發(fā)射端可以使用頻譜效率更高的QAM技術(shù)。相干OFDM系統(tǒng)的接收端使用相干檢測技術(shù)，系統(tǒng)需要知道CSI以對接收信號進展信道均衡，從而信道估計成為系統(tǒng)接收端一個重要的環(huán)節(jié)。雖然相干OFDM系統(tǒng)需要知道CSI才能解調(diào)而使接收機變得復(fù)雜，但獲得了更好的系統(tǒng)傳輸效率和性能，所以，在無線通信應(yīng)用中，通信系統(tǒng)還是使用相

13、干OFDM系統(tǒng)。在具有多個發(fā)射天線的系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)發(fā)射端使用了空時編碼，接端進展空時譯碼時，需要知道每一對發(fā)射天線與接收天線之間的CSI：而CSI可以通過信道估計獲得。信道估計結(jié)果還可以用到接收分集的合并算法中，提高信號合并的質(zhì)量，獲得更多的分集增益。如果存在共道干擾，接收最小均方誤差分集合并(Minimum Mean Square Error Diversity bining，MMSEDC)系數(shù)必須根據(jù)信道參數(shù)估計值和各個接收天線信號之間的瞬時相關(guān)特性進展計算。五OFDM系統(tǒng)信道估計研究現(xiàn)狀信道估計的方法有很多種，通常可以分為三類：第一類是基于導頻或訓練序列的方法。這類方法根據(jù)導頻符號在I

14、DFT之前還是之后分為時域?qū)ьl符號和頻域?qū)ьl符號插入法。如：由Henrik Schober等人提出的采用二維Wiener濾波器自適應(yīng)跟蹤時變信道的算法、Frieder Sanzi等人提出的自適應(yīng)信道估計算法、線性高斯插估計方法、最大似然估計算法、基于最小方差無失真響(MVDR,mini-mum-variance distortionless response)波束成形技術(shù)的碼定時估計方法等。這類信道估計方法性能好，簡單且易于實現(xiàn)。但是這類方法由于采用導頻符號或訓練序列，所以必然占用一定的有效帶寬，降低了系統(tǒng)傳輸效率。第二類是基于被傳輸信息符號的有限字符和其統(tǒng)計特性的盲信道估計方法。目前已有幾種

15、適于OFDM系統(tǒng)的盲信道估計方法。其中一些算法是基于自相關(guān)矩陣子矩陣的盲估計算法，另一些是基于子空間分解的盲信道估計算法，它適用于加尾零(Trailing Zeroes，TZ)的OFDM系統(tǒng)。另外一種是基于發(fā)送符號循環(huán)統(tǒng)計量的相關(guān)匹配盲信道估計算法。類似的還有基于OFDM信號循環(huán)前綴的盲信道估計算法。以及由Shengli Zhou提出的基于輸入信號的高階統(tǒng)計量的盲信道估計算法等。這類算法無需參加導頻符號或訓練序列，因此節(jié)省帶寬，有效地提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。但盲信道估計算法的計算復(fù)雜度要高于基于導頻和插值的信道估計算法，并且存在信號或者符號估計的不確定問題。第三類是同時利用盲信道估計算法所用的

16、信息和采自符號的信息來完成信道估計的半盲信道估計算法。可以根據(jù)對未知輸入符號的先驗知識的利用程度對半盲信道估計算法如下分類。（1） 確定性算法，如子空間擬合方法(Subspace fitting,SF)算法、SRM算法、確定性ML算法以及最小二乘平滑方法或雙邊線性預(yù)測方法。（2） 利用統(tǒng)計量信息的高斯算法，(盲)預(yù)測算法或者(盲)協(xié)方差匹配算法即屬此種。將未知輸入符號作為高斯隨機變量來處理的半盲高斯最大似然法GML(Gaussian Ma*imum Likelihood)也屬此類。（3） 利用數(shù)據(jù)的二階或者高階統(tǒng)計量的半盲信道估計算法。（4） 利用輸入符號的有限字符特性的算法，這種算法中有盲池

17、算法及其半盲推廣形式。（5） 利用輸入符號的真實分布，例如，對于BPSK可以利用輸入符號的真實離散分布(即其有限字符特性和概率分布)。還有半盲統(tǒng)計ML(SML)算法也屬此種算法。半盲信道估計算法與基于導頻的信道估計算法相比計算復(fù)雜度要高，但是它提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。而與盲信道估計算法相比它降低的系統(tǒng)的復(fù)雜度同時也降低了系統(tǒng)的頻譜利用率。但是半盲信道估計算法比盲估計算法和基于導頻和訓練序列算法更具魯棒性，而且能夠提供比這兩種算法更優(yōu)的性能。Tong的算法的優(yōu)點是其收斂非?？?，計算量很小。大量研究說明，它可以使盲均衡和盲辨識算法在幾百個觀察值的量級上快速完成收斂過程，有些甚至可達數(shù)十個符號的量級

18、。因此，雖然至今仍然有人在繼續(xù)研究基于高階統(tǒng)計量的盲方法，但是，Tong的這一誘人結(jié)果直接導致了九十年代以后人們利用SOS對FIR線性信道進展盲均衡和盲辨識的研究熱潮。現(xiàn)在，人們已經(jīng)提出了大量的基于二階統(tǒng)計量的盲算法。二階統(tǒng)計量方法主要包括兩大類算法，即子空間類算法(Tong；Moulines；*u；AdedMeraim)和極大似然類算法(Hua)。近年來，很多估計是利用了信號子空間與噪聲子空間相互正交性，因而稱為子空間方法。子空間方法非常吸引人之處是其可得到盲辨識問題的解析解。不利之一是子空間方法的穩(wěn)健性不是很高，尤其是擴展后的靜態(tài)傳遞矩陣接近奇異；不利之二是子空間方法花費很多計算時間。最通

19、用的參數(shù)估計算法是最大似然估計(ML：Ma*imm Likelihood Estimation)方法，其最大優(yōu)點是可從有限的采樣數(shù)據(jù)中獲得好的參數(shù)估計，在一定條件下，ML方法估計方差可以到達CR界。但遺憾的是ML不存在解析解。因此，ML方法主要提供一個研究其它方法的性能的框架。六簡單算法介紹（1） LS 信道估計算法接收頻域信號表示為 Y，它滿足Y = *H + n = *Fh + nF 是傅里葉變換矩陣,其中 N 代表子信道數(shù)，Y 是接收OFDM 符號的頻域表達向量Y=Y0 ,Y1 ,YN-1 T,* 是基帶碼元映射輸出的對角矩陣即*= diag *0,*1,. *N-1信道參數(shù)的估計結(jié)果表

20、示為h=h0,h1,.hN-1T，因此有信道的頻域表達H=Fh=H0,H1,.HN-1T,n=n0,n1,.nN-1T是頻域上表示的復(fù)高斯白噪聲。LS 準則的目標是為了使代價函數(shù)J 最小J = (Y *)H(Y-*)帶入Y, *, 的向量表示的J=為了得到讓 J 最小的，首先求J 對的偏導LS 信道估計算法只需要知道發(fā)送數(shù)據(jù)*，不需要了解接收噪聲n 以及信道的統(tǒng)計特性的先驗信息。因此計算量小，實現(xiàn)復(fù)雜度低也是LS 信道估計算法的最大特點，其在實際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。（2） MMSE 信道估計算法信道估計的誤差表示為e=H-H表示準確值，表示估計值它的MSE 表示為P = E |e|2= E |H |2= E (H )(H-)HMMSE 算法的目標就是讓估計值的均方差MSE 最小，也就是說MMSE 算法的代價函數(shù)就是P基于導頻信號對信道的頻域估計，表示為濾波器的形式為是濾波器的加權(quán)系數(shù)矩陣。要得到信道的頻域表示，就是要求使代價函數(shù)最小的W 值。估計值 和實際值H 的誤差則有令RYY=EYYH,RHY=EHYH上式得得到代價函數(shù) J，對W 求偏導則有于是有=WHY=RHYY其中RHY是信道矩陣和接收信號的互相關(guān)矩陣，表示為RHY=EHYH=RHH*HRYY是接收信號的自相關(guān)矩陣，表示為RY