基于簡(jiǎn)化單一導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計(jì)方法研究

朱康特，陳波*，杜秀麗，張?jiān)瀑R

（大連大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116622）

基于簡(jiǎn)化單一導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計(jì)方法研究

朱康特，陳波*，杜秀麗，張?jiān)瀑R

（大連大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116622）

不同信道模型對(duì)信道估計(jì)有很大的影響，導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須選擇合理的導(dǎo)頻間隔。針對(duì)傳統(tǒng)信道模型難以全面描述多徑衰落和噪聲對(duì)信道估計(jì)的影響，以及傳統(tǒng)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)存在導(dǎo)頻數(shù)量過(guò)多、計(jì)算復(fù)雜高等問(wèn)題。本文建立了自定義信道估計(jì)模型，該模型充分考慮了時(shí)變頻率選擇性和廣義平穩(wěn)信號(hào)的非相關(guān)散射特性；同時(shí)，提出了基于梳狀導(dǎo)頻圖案的簡(jiǎn)化單一導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)根據(jù)導(dǎo)頻間隔等間距的交錯(cuò)截取導(dǎo)頻信號(hào)。仿真表明：該方法減少了導(dǎo)頻數(shù)量，提高了頻帶利用率。同時(shí)，與二維導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)相比，有效降低了計(jì)算復(fù)雜度；與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，誤碼率降低了1-2 dB，該方法可廣泛應(yīng)用于信道估計(jì)中的導(dǎo)頻圖案設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

信道模型；導(dǎo)頻間隔；簡(jiǎn)化單一導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)

無(wú)線移動(dòng)信道隨著傳播環(huán)境的變化而變化，具有高度的復(fù)雜性和隨機(jī)性，主要表現(xiàn)為多普勒頻移和多徑時(shí)延影響[1]。為了開(kāi)展通信系統(tǒng)仿真的研究，建立無(wú)線信道的數(shù)學(xué)仿真模型是仿真研究的基礎(chǔ)[2]。

文獻(xiàn)[3-4]詳細(xì)介紹了移動(dòng)信道2種典型的傳輸模型，Jakes-Rayleigh信道模型[3]通常用于簡(jiǎn)單的多徑衰落信道仿真；AWGN高斯白噪聲模型信道僅考慮信道噪聲，會(huì)使信道估計(jì)的精確性大大降低[4]。針對(duì)傳統(tǒng)信道模型難以全面描述多徑衰落和噪聲對(duì)信道估計(jì)的影響，本研究提出了自定義的信道模型，該模型用Jakes-Rayleigh信道模型為基礎(chǔ)，設(shè)置了不同的多徑時(shí)延參數(shù)，再加上AWGN信道模型作為噪聲模型，并以此模型進(jìn)行仿真對(duì)比。

同時(shí)，在已經(jīng)建立了信道仿真模型的前提下，為了能在接收端檢測(cè)出正確的信息，并進(jìn)行補(bǔ)償性的恢復(fù)，信道估計(jì)就顯得非常必要[5]。針對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)典單一導(dǎo)頻[6]存在導(dǎo)頻數(shù)量多、二維導(dǎo)頻圖案[7]計(jì)算復(fù)雜度高的問(wèn)題，本研究提出了基于梳狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化單一導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行仿真分析，以期減少了導(dǎo)頻數(shù)量，提高了頻帶利用率，方案切實(shí)可行性。

1 無(wú)線信道模型

與其他通信信道相比，無(wú)線通信信道是最為復(fù)雜的一種，時(shí)常呈現(xiàn)出移動(dòng)通信所特有的衰落特性[1]。在無(wú)線通信信道衰落中，多徑傳播和多普勒擴(kuò)展是主要的影響因素。

1.1 AWGN信道模型

AWGN信道，即加性高斯白噪聲信道，這種信道對(duì)于信號(hào)的影響在于假定主要的噪聲源是進(jìn)入接收機(jī)的與接收信號(hào)路徑相互獨(dú)立的輻射。此信道模型如式（1）所示：

其中，n(t)為功率譜密度為N0/2的零均值加性高斯白噪聲。

1.2 Jakes瑞利衰落信道模型

1974年，Jakes提出了 Jakes信道模型，如式（2）所示：

其中，E0為信道能量，cn、θn、φn分別為第n條路徑的增益、波束到達(dá)角和初始相位，vmax為最大瞬時(shí)速度。根據(jù)中心極限定理，當(dāng)N→∞時(shí)，hre(t)、him(t)均服從高斯分布，這樣包絡(luò)和相位tan-1(-him/hre)分別服從瑞利分布、[0，2π]上的均勾分布。但單路瑞利復(fù)信號(hào)的實(shí)部和虛部之間，多路衰落信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)并不能恒等于零，這就不能保證產(chǎn)生的多個(gè)瑞利衰落量嚴(yán)格意義上的獨(dú)立。

1.3 自定義信道模型

多徑傳播和多普勒擴(kuò)展作為信道的特性往往和噪聲區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此信道傳輸常如式（3）所示：

其中，y(t)為瑞利衰落信道模型，n(t)為常用的高斯白噪聲（AWGN）。

瑞利衰落模型[8]是最簡(jiǎn)單而且常用的信道基帶抽頭統(tǒng)計(jì)模型，考慮時(shí)變頻率選擇性，并且滿足廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射特性。其信道參數(shù)如式（4）所示：其中S[m,l]為延時(shí) -多普勒擴(kuò)展函數(shù)，m、l分別為離散延時(shí)和離散多普勒擴(kuò)展，Mτ為信道最大延時(shí)擴(kuò)展，Mv為最大多普勒擴(kuò)展，該模型更加接近真實(shí)信道。

2 基于簡(jiǎn)化單一導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法

信道估計(jì)方法可分為利用導(dǎo)頻信道估計(jì)和盲信道估計(jì)兩類(lèi)[9]?；趯?dǎo)頻序列的信道估計(jì)算法是指利用接收機(jī)己知的信息進(jìn)行信道估計(jì)，具有算法復(fù)雜度較低、估算精度高等特點(diǎn)[10]。首先，用已知導(dǎo)頻符號(hào)按照一定規(guī)則插入到信號(hào)序列中，在受到信道的影響后，利用算法得到導(dǎo)頻點(diǎn)處的信道響應(yīng)；然后，利用插值算法估計(jì)出所有信息位上的信道響應(yīng)，并進(jìn)行均衡，恢復(fù)出發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.1 導(dǎo)頻設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

在保證基于導(dǎo)頻序列的信道估計(jì)精度的前提下，為了盡可能地減少導(dǎo)頻序列的插入，提高頻譜利用率，因此必須采用在時(shí)域/頻域周期間隔放置導(dǎo)頻信息的方式。但是這個(gè)間隔的范圍不能隨便給出，所以導(dǎo)頻間隔的設(shè)計(jì)必須遵循一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[11]。

導(dǎo)頻圖樣設(shè)計(jì)的2個(gè)重要參數(shù)是：決定最小相關(guān)時(shí)間的最大多普勒頻移和決定最小相關(guān)帶寬的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展。時(shí)域上以符號(hào)周期進(jìn)行歸一化后的導(dǎo)頻插入間隔為，頻域上以子載波間隔進(jìn)行歸一化后的導(dǎo)頻插入間隔為，則可知：

式（5）中，T為符號(hào)周期，Δf為子載波間隔。因?yàn)椴迦氲膶?dǎo)頻數(shù)只能取整數(shù)，上面的公式均取了下限。為了盡量使信道沖激響應(yīng)的時(shí)域采樣和頻域采樣平衡，因此一般還限定fDmaxTSt≈TdmaxΔfSf。第3節(jié)中進(jìn)行了仿真對(duì)比，驗(yàn)證了合適的導(dǎo)頻間隔必要性。

2.2 導(dǎo)頻圖案設(shè)計(jì)

經(jīng)典導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)分為2種基本的形式：一種是在時(shí)域內(nèi)插入導(dǎo)頻，也稱(chēng)之為塊狀導(dǎo)頻，適用于慢衰落信道模型下的信道估計(jì)；另一種是在頻域內(nèi)插入導(dǎo)頻，也稱(chēng)之為梳狀導(dǎo)頻，適用于快衰落信道模型下的信道估計(jì)。

針對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)頻圖案中導(dǎo)頻數(shù)量插入過(guò)多、計(jì)算量大、頻帶利用率低，以及二維導(dǎo)頻圖案需要在時(shí)域和頻域上都插入導(dǎo)頻引起的計(jì)算復(fù)雜度高等問(wèn)題。本文提出了一種簡(jiǎn)化單一導(dǎo)頻。導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖案如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化單一導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)圖Fig.1 simplified single pilot structure

首先，確定單一經(jīng)典導(dǎo)頻模式，依據(jù)了梳狀導(dǎo)頻在時(shí)間選擇性衰落信道下估計(jì)效果較好這一特點(diǎn)而采用了梳狀導(dǎo)頻；其次，根據(jù)導(dǎo)頻準(zhǔn)則選定合適的導(dǎo)頻間隔，根據(jù)導(dǎo)頻間隔等間距交錯(cuò)截取導(dǎo)頻信號(hào)，這樣大大減少了導(dǎo)頻數(shù)量；最后，生成上述導(dǎo)頻圖案。

3 仿真分析

采用抗碼間干擾能力強(qiáng)、頻譜利用率高和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單[12]的OFDM系統(tǒng)模型，導(dǎo)頻處的信道估計(jì)算法采用的是傳統(tǒng)的LS和LMMSE算法，信號(hào)處的信道響應(yīng)采用的是常數(shù)插值。

仿真參數(shù)設(shè)置為：系統(tǒng)的帶寬20 MHz，載波頻率2 GHz，調(diào)制方式選用QPSK，保護(hù)間隔長(zhǎng)度設(shè)為16個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度，子載波個(gè)數(shù)為50，每個(gè)載波上有128個(gè)OFDM符號(hào)，多徑數(shù)目為5，多普勒頻移歸一化為0.2 Hz，系統(tǒng)采用誤比特率（Bit Error Rate，BER）指標(biāo)來(lái)衡量信道估計(jì)性能。

3.1 不同的信道模型仿真對(duì)比

采用自定義的信道模型在不同的多徑時(shí)延下信道估計(jì)進(jìn)行了仿真對(duì)比，導(dǎo)頻間隔為5，路徑仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 多次仿真路徑時(shí)延參數(shù)Tab.1 Multiple path delay parameters for simulation

由圖2和圖3可知，不同的信道模型參數(shù)下，由多徑時(shí)延引起的頻率選擇性衰落對(duì)梳狀導(dǎo)頻的影響明顯大于塊狀導(dǎo)頻，故梳狀導(dǎo)頻易受頻率選擇性衰落的影響，較適用于時(shí)間選擇性衰落信道模型下的信道估計(jì)。

圖2 不同路徑時(shí)延下的塊狀LS算法對(duì)比Fig.2 Comparison of block LS algorithm for different paths delay

圖3 不同路徑時(shí)延下的梳狀LS算法對(duì)比Fig.3 Comparison of comb LS algorithm for different paths delay

3.2 不同導(dǎo)頻間隔的仿真分析

設(shè)計(jì)了塊狀和梳狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)在不同導(dǎo)頻間隔下的信道估計(jì)仿真，信道模型采用多徑1，導(dǎo)頻間隔分別為 5、15、25個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度。

由圖4和圖5可知：隨著導(dǎo)頻間隔的增加，塊狀導(dǎo)頻和梳狀導(dǎo)頻的性能有著明顯的變化，但塊狀導(dǎo)頻性能惡化更快。這是由于塊狀導(dǎo)頻在時(shí)域上等間距插入導(dǎo)頻，隨著導(dǎo)頻間隔的增加，每個(gè)導(dǎo)頻間隔距離也隨之增加，不能很好追蹤信道，所以信道估計(jì)的性能受到了較大影響。

而梳狀導(dǎo)頻是在頻域上插入導(dǎo)頻，時(shí)域上是連續(xù)的，雖然導(dǎo)頻間隔增加了，但只是相鄰的導(dǎo)頻段距離增加，經(jīng)過(guò)內(nèi)插恢復(fù)出數(shù)據(jù)時(shí)，所受影響較塊狀小?？梢?jiàn)，導(dǎo)頻間隔在信道估計(jì)上的影響較大，利用導(dǎo)頻間隔準(zhǔn)則設(shè)定合適的導(dǎo)頻間隔對(duì)信息的傳輸有著良好的作用。

圖4 不同導(dǎo)頻間隔塊狀導(dǎo)頻LS算法對(duì)比Fig.4 Comparison of block LS algorithm for different pilot intervals

圖5 不同導(dǎo)頻間隔梳狀導(dǎo)頻LS算法對(duì)比Fig.5 Comparison of comb LS algorithm for different pilot intervals

3.3 簡(jiǎn)化單一導(dǎo)頻的仿真分析

對(duì)未加導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)、基于塊狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)、基于梳狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)和本文導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計(jì)算法的性能進(jìn)行仿真對(duì)比分析，信道模型采用的多徑1，導(dǎo)頻間隔為 5。

圖6 不同導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)在LS估計(jì)算法下的對(duì)比Fig.6 Comparison of different pilot structures under LS estimation algorithm

圖7 不同導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)在LMMSE估計(jì)算法下的對(duì)比Fig.7 Comparison of different pilot structures under LMMSE estimation algorithm

從圖6和圖7見(jiàn)：未加導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計(jì)算法性能遠(yuǎn)低于有導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計(jì)算法，且隨著信噪比的增加，各導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計(jì)算法的誤碼率降低。結(jié)合表2可見(jiàn)，本文導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)與經(jīng)典梳狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)、經(jīng)典塊狀導(dǎo)頻相比，誤碼率稍有降低；但減少了導(dǎo)頻數(shù)量，提高了頻帶利用率；與二維導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)相比，有效降低了計(jì)算復(fù)雜度。方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

表2 各導(dǎo)頻圖案中導(dǎo)頻數(shù)與算法復(fù)雜度對(duì)比Tab.2 Comparison of pilot number and algorithm complexity for different pilot structures

4 結(jié)語(yǔ)

分析了不同信道模型參數(shù)對(duì)信道估計(jì)的影響，并提出了簡(jiǎn)化單一導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計(jì)方法，該方法有效減少了導(dǎo)頻數(shù)量、提高了頻帶利用率。仿真結(jié)果表明：（1）自定義信道模型更符合真實(shí)信道，合理的導(dǎo)頻間隔設(shè)計(jì)提高了信道估計(jì)效果；（2）所提出的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與二維導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)相比，有效降低了計(jì)算復(fù)雜度；與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，誤碼率降低了1-2 dB，方案切實(shí)可行。

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The channel estimation based on a simplified single pilot structure

Zhu Kangte,Chen Bo*,Du Xiuli,Zhang Yunhe
(Dalian University Key Laboratory of Communications and Network,Dalian,Liaoning 116622,China)

As different channel model has a great influence on channel estimation,the design of the pilot structure has to choose a reasonableinterval.Considering theproblemsthattraditionalchannelmodelwith too much pilotquantity and high computational complexity fails to describe the effects of multipath fading as well as the noise on channel estimation in detail,we established a custom channel estimation model in this paper.It gives full consideration to the time-varying frequency selective and unrelated scattering properties of stationary signal.At the same time,a simplified single pilot structure based on comb pilot pattern is proposed,in which the pilot signal interception is staggered in an equal pilot interval.Simulation shows that the number of pilot in this the pilot pattern was reductive,and the bandwidth utilization was improved;Compared to the two-dimensional pilot structure,the computational complexity has been reduced effectively.Meanwhile,compared to the traditional pilot structure,the error rate has reduced 1-2 dB,and the pilot structure has strong practicability to be used as a pilot pattern design for channel estimation.

channel model;pilot interval;simplified single pilot structure

TN929.5

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.05.0019

1007-7383(2017)05-0636-05

2016-12-30

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2014AAXX03G、2015AAXX03G）

朱康特（1994-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)。

*通信作者：陳波（1972-），男，教授，博士研究生導(dǎo)師，從事通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)故障診斷研究。