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论文研究-基于MIMO SC-FDE系统信道估计算法的研究 .pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.37M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 MIMO SC-FDE 系统信道估计算法的 研究 朱雪彬，林雪红，林家儒** （北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876） 摘要：本文研究了单载波频域均衡（SC-FDE）系统中信道估计技术。介绍了 SC-FDE 系统 以及信道估计的作用，方案采用的是时域信道估计再 FFT 变换到频域用于单载波频域均衡。 主要是基于导频序列的信道估计，包括导频的选择、导频在帧结构中插入的位置和通过导频 信息获取某个时间段信道信息。为了提高系统频带利用率和信道估计精确度，在数据分块和 导频分块的基础上，通过合理的调整数据块和导频块的分布来提高信道估计的精度。本文在 原方案的基础上通过将导频和数据分散的更开以获得更好的性能。仿真结果表明：合理分散 导频之后比之前性能好，和原方案迭代信道估计的性能相近。 关键词：信道估计；分块导频；单载波频域均衡；迭代信道估计 中图分类号：TN929.5 5 10 15 The Research on Channel Estimation Technology of SC-FDE System Zhu Xuebin, Lin Xuehong, Lin Jiaru 20 (School of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876) 25 30 Abstract: In this paper, it researches on channel estimation technology of SC-FDE system. Firstly, we introduce the SC-FDE system and the function of channel estimation, using the time domain channel estimation and then FFT transform to the frequency domain for single-carrier frequency domain equalization. The channel estimation is mainly based on the pilot sequence, including the selection of the pilot, the location where the pilot should insert and using the pilot information to acquire the certain time channel information. In order to improve the system bandwidth utilization and channel estimation accuracy, on the basis of data block and pilot block, by adjusting the distribution of data blocks and pilot blocks to improve the accuracy of channel estimation, and finally restore original data. By changing the method of inserting the pilot position and data, the simulation results show that the performance has been greatly improved. Key words: channel estimation;block pilot;single carrier frequency domain equalization;iterative channel estimation 35 0 引言 40 在宽带无线通信系统中，由多径传输引起的频率选择性衰落会严重影响信道的通信质 量。因此采用何种方案对抗信道的多径响应大大影响信道的传输的可靠性和稳定性。基本的 传输技术主要分为两大类：单载波传输技术和多载波传输技术。本文采用的就是单载波频域 均衡（Single Carrier Frequency Domain Equalization，SC-FDE）技术，它综合了 OFDM 技术 和单载波传输技术的优点，且避免了 OFDM 中 PAPR 较高和对载波频率偏移敏感等问题[1]。 本文是基于导频的信道估计，在整个帧结构中插入适量的导频序列，用于同步和接收端 的信道估计。这里采用的导频序列是文献[2]中介绍的 PN 训练序列（格雷序列），它有很好 作者简介：朱雪彬（1990-），男，北京邮电大学信息与通信工程学院研究生，主要研究方向：信息与信号 处理 通信联系人：林家儒（1958-），男，教授，主要研究方向：信息与信号处理. E-mail: jrlin@bupt.edu.cn - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 的自相关特性和互相关特性，这些特性保证在进行信道估计的时候可以大大降低多径之间的 干扰。本文项目中一开始采用的是传统的导频序列插入方法，只在帧结构开始部分和中间部 45 分插入导频，仿真的结果表明性能不是特别理想，之后采用了一次迭代信道估计才满足性能 要求。然后根据文献[3]提出的数据分块传输方法和文献[4]提出的分块导频的方法，通过改变 分散导频和改变导频插入的位置，直接一次信道估计就能达到系统性能要求，大大降低了系 统的实现复杂度。 1 系统模型 50 1.1 SC-FDE 系统原理 SC-FDE 系统的大致结构如图 1 所示。在发端，将原始数据编码后再进行 BPSK 调制， 然后成帧对数据部分插入保护循环前缀（Cyclic Prefix，CP），CP 长度大于信道的最大多径 时延，并在相应的位置插入导频序列。然后过信道到接收端。在接收端收到数据后，先提取 导频用于时域信道估计，并将结果做 FFT 用于后面的频域均衡；对数据部分去除保护前缀 55 后做 FFT 与信道估计 FFT 结果进行频域均衡，均衡后再 IFFT，最后译码得到最终结果，恢 复出原始数据。 图 1 SC-FDE 系统原理图 Fig. 1 SC-FDE System Schematic 60 1.2 PN 序列特性 本文中涉及的项目应用的信道是对流层散射信道，如果想要在接收端信道估计获得较准 确的结果，选择性能良好的 PN 序列非常的关键。本文采用了一种性能良好的格雷互补序列 作为训练序列，通过图 2，图 3 即可看出。 本文采用两发两收的 MIMO 系统[5]，发端每根天线的 I、Q 采用的格雷互补序列 65 GCS_A&B 一样，每根天线采用的格雷互补序列不一样，从而保证天线之间的互相关特性。 其中 GCS_A&B 由长度均为 2048 的 GCS_A 和 GCS_B 序列组成，GCS_A 在前面，GCS_B 在后面。如图 2，图 3 所示为格雷互补序列的归一化后自相关特性和互相关特性曲线图，从 图中可以看出，格雷互补序列具有很好的自相关和互相关特性，适合用做导频作为信道估计。 - 2 - 发送端EncoderBPSK映射插入保护cp和导频序列信道提取导频去循环前缀保护cp时域信道估计FFT频域均衡IFFTDecoder接收端
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 70 图 2 2*2048 本地格雷序列的自相关曲线 Fig. 2 2*2048 Autocorrelation Curves of Local Golay Sequences 图 3 2*2048 本地格雷序列的互相关曲线 Fig. 3 2*2048 Cross-correlation Curves of Local Golay Sequences 75 2 帧结构 2.1 两种帧结构 传统的 SC-FDE 系统采用循环前缀（cyclic prefix，CP）作为导频，用于信道估计。因此 CP 的内容是变化的，不利于精确的估计出信道系数。本文采用自相关性和互相关性良好的 格雷互补训练序列进行信道估计，在发端是已知的，可以利用自相关和互相关特性准确的估 80 计出某一时段的信道系数。 图 4（a）是本文最初采用的帧结构，也是传统 SC-FDE 通用的帧结构，分为前后半段， 每半帧开始是 4 个连续的 2*2048 长度的 GCS_A&B 序列，之后是多个数据块。 图 4（b）是本文最终采用的帧结构，将原来的导频分散开来，每段导频只由一个 2*2048 长度的 GCS_A&B 序列，之后跟着一个数据块（一个 FFT 块）。相比于图 4（a）将导频和 85 数据都分散开来，图 4（a）中导频 1 估计出来信道结果用于后面的 data1 做频域均衡，导频 2 估出来的信道结果用于 data2 做频域均衡；图 4（b）信道估计利用每一段导频信道估计的 - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 结果去和它之后的数据做频域均衡，能够更加精确的跟踪信道的变化，它的时间跨度比较小， 结果自然更加精确。 90 95 图 4(a) 帧结构 1 Fig. 4(a) Frame structure one 图 4(b) 帧结构 2 Fig. 4(b) Frame structure two 图 4 SC-FDE 系统的两种帧结构 Fig. 4 Two frame structure of SC-FDE system 2.2 数学分析 2.2.1 接收信号分析 对于接收信号，可以提取出导频，每段导频的估计方法都一样，如果是连续的 2*2048 长 100 度的本地格雷序列，则进行多次估计，将结果取下均值即可。 令 GCS_A&B 长度为 4096（A、B 序列的长度均为 N=2048），最大多径时延长度为 L， 第 i 根天线的导频使用的是 GCS_A&B 序列为 ， 则在接收端，第 i 根天线导频的第 个符号，接收端的接收信号可以写成： ，I 路和 Q 路传输序列相同，均为 A 序列在前，B 序列在后。 105 (1) 其中 表示第 个时隙上的高斯白噪声向量 代表第 i 根天线第 径的时域信道响应 ， 表示 GCS_A&B 的循环平移。 110 假设信道是慢变的，因此可以认为在一个导频的时间间隔内，信道响应 保持不变， 通过累积多个时隙上的信道响应估计值，对抗高斯白噪声。 2.2.2 导频信道估计 根据之前分析的 GCS_A&B 的循环平移特性，可以得到： (2) 115 假设某一径的信道响应为： - 4 - 4个2*2048 GCS_A&Bdata14个2*2048 GCS_A&Bdata2多个FFT块导频2导频1多个FFT块2*2048 GCS_A&BFFT块data1_12*2048 GCS_A&BFFT块data1_2导频22*2048 GCS_A&BFFT块data1_4导频4…2*2048 GCS_A&Bdata2_1导频5…2*2048 GCS_A&Bdata2_4导频1导频8FFT块FFT块,0,1,1[,,...,]TiAiAiAiANpppp,0,1,1[,,...,]TiBiBiBiBNppppk1,,0Llikiliklhapn,,1,0,1,1[,...,,,,...,]lTiiNliNiiiNlpccccclknk,ilhl,ilh,()()0,!mHnmHniAiAiBiBNcmnppppmn
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (3) 将 GCS_A 与 GCS_B 分别与接收信号做相关运算，然后进行 2048 个符号的累加，由格雷 序列对的 0 均值自相关特性，则在第 i 根天线的导频的第 k 个时隙上进行的信道估计，可以 写成： 120 其中 。 假设发端发送的是 ，过信道后变为： (4) (5) 根据公式（4）和（5），已知求出了 ， ，从而可以求出 ， 。 125 即： (6) 2.2.3 两种帧结构的比较 图 4（a）和（b）的区别主要在于导频的分布位置不大一样。 图 4（a）利用四个 2*2048 长度的 GCS_A&B 得出一组信道系数，用于 data1 中每个 FFT 130 块的频域均衡，即 data1 中的每个 FFT 用的是同一组信道系数，这样的话靠后的 FFT 块所 用的信道估计值可能不是特别准确，从而影响频域均衡的结果，最后影响系统的性能。如果 想要在不改变帧结构的条件下，获取更好的性能，可以使用迭代信道估计。 迭代信道估计的大体过程如下：先根据第一次信道估计的结果做均衡，之后对结果做硬判 决，然后再重装帧，用重装帧后的结果和收到的数据部分做共轭相关处理得到当前数据对应 135 的信道估计值，再做第二次频域均衡，然后译码即可。 迭代信道估计的原理如下： 假设重装帧之后的数据为 ，而收到的信号是 ，所以对重装帧之后 的数据做共轭，然后和收到的信号做相关即可得到迭代信道估计的结果，即： (7) 140 其中 。 图 4（b）利用每一个 2*2048 导频得到一组信道估计值，用于它之后的一个数据块做频域 均衡。它在没有增加导频开销的基础上，通过将导频和数据都分散开，每段用于做频域均衡 的信道系数在信道时间的跨度上更小，因此通过频域均衡可以更加准确的还原出当前数据 - 5 - llilqhhhj121,,,,01()()()()2NNlllikiAikiBikjjNhPjjPjjNaa01lL1j,,(1) (1)() =()() =likllilqlilqlilqhjhjhjhhhjhhIjQI=()lilqhh()lilqQhhlihlqh22lilqIQhQIhabj()()iqabjhhj*22()()()()()()iqiqiqabjabjhhjabhhjhhj22()1ab
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 块，从而提高系统的整体性能。在导频增益足够的情况下，可以将导频分散的更开或者采用 145 点数较少的格雷互补序列，来提高信道估计的精确度。但是要注意，不能无限的分散导频， 当导频过于分散的时候不足以检测到当前时间段信道的变化，或者导频增益不够无法达到系 统需求。所以在设计帧结构的时候，要充分考虑导频的插入位置和分散情况，在可以满足增 益的基础上，尽量的去分散导频，从而获得更好的性能。 3 仿真结果 150 仿真采用 1/6 码率的 Turbo 编码，导频长度为 2*2048 的本地格雷序列，信道采用 Jacket 信道模型，噪声为加性高斯白噪声，采用 BPSK 调制，采用 MMSE（最小均方误差）频域 均衡算法，对于两种帧结构仿真得到如图 5、6 所示的曲线图。 155 图 5 AWGN 信道仿真结果 Fig. 5 AWGN channel simulation result 图 6 衰落信道仿真结果 Fig. 6 fading channel simulation result - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 从图 5 可以看出，在 AWGN 信道环境下，图 4（a）帧结构第一次信道估计性能明显比图 160 4（b）帧结构第一次信道估计性能差 3db 左右，只有通过迭代信道估计性能才能和图 4（b） 第一次信道估计结果相近，但是迭代信道估计的实现却远比第一次信道估计复杂许多，所以 图 4（b）帧结构是比较合适的。可见，通过合理分散导频和数据可以提升系统性能。 从图 6 可以看出，在瑞利衰落信道中，两种帧结构的差别和 AWGN 信道下结果类似，具 体参考 AWGN 信道的比较。 165 4 结论 本文结合项目中散射信道的特点，通过分散导频和数据的方法，在不增加导频开销的前提 下，更加准确的获取信道响应的变化，用当前数据块之前的信道估计结果用作频域均衡，获 取更好的性能。本文采用性能优良的 GCS_A&B 格雷互补序列，对于 MIMO 多径信道可以 很好的估计出各个子信道和多径的信道估计值，获得更好的性能，对 SC-FDE 信道估计方法 170 具有一定的参考意义。仿真结果表明，本文对于插入导频方式的改进性能大大题升了，而且 算法复杂度低，硬件实现时消耗的资源少，是值得借鉴的。 [参考文献] (References) 175 180 [1] LJ Cimini. Analysis and Simulation of a Digital Mobile Channel Using Orthogonal Frequency Division Multiplexing[J]. IEEE Transactions on Communications, 1985, 33(7): 665-675. [2] Fan P Z, Michael D. Sequence Design for Communications Applications[M]. New York: Research Studies Press, 1996. [3] 方朝曦，奚家熹，王宗欣. 基于迫零均衡的单载波分块传输系统的误符号率分析[J]. 通信学报，2010， 31（1）：80-84. [4] 吴辉，罗志年. 一种改进帧结构的单载波频域均衡系统[J]. 计算机仿真，2011，28（9）：106-108. [5] 吴伟陵，牛凯. 移动通信原理[M]. 北京：电子工业出版社，2009. - 7 -
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