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基于块状导频的OFDM信道估计

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2011年第7期 中图分类号:TN919.3 文献标识码:A 文章编号:1009—2552(2011)07—0081—03 基于块状导频的OFDM信道估计 丁敬校,王可人,陈小波 (电子工程学院,合肥230037) 摘要:首先对OFDM系统中基于导频辅助的信道估计算法进行研究,为了降低复杂度,利用 奇异值分解(SVD)给出一种低阶近似的信道估计器。仿真结果表明LMMSE算法利用信道相关 特性增加了运算量,但可以获得较好的估计效果,其简化算法(SVD)的性能略有下降,且随 着信噪比增大,会出现“地板效应”。 关键词:OFDM;块状导频;信道估计;MSE下界 oFDM channel estimation based on block-type pilots DING Jing—xiao。WANG Ke—ren,CHEN Xiao—bo (Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China) Abstract:The pilot—aided channel esitmation algorithms for OFDM system are investigated at first. Then,a simpliifed channel estimator is presented by using Singular Value Decomposition(SVD).The simulation resul ̄show that the LMMSE algorithm has a better performance by exploiting the correlation property of the channel,though it complexes the algorihm.The sitmpliifed one(SVD)performs bad, nd wiath the increment of SNR(signal—to—noise ratio),“floor effect”shows up. Key words:OFDM;block—type pilot;channel estimation;low—band of MSE 0 引言 OFDM技术将一个高速的数据流分解为在若干 个子载波上并行传输的低速数据流,所有的子载波 在时域上相互正交。通过引人循环前缀,有效地消 除了码间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。OFDM 的基本原理,然后着重研究了MMSE准则下的信道 估计简化算法,同时导出其估计均方误差(MSE)的 下界。 1 系统模型 1.1信道模型 因其较高的频谱利用率和良好的抗干扰性能,已成 为实现高速无线通信的核心技术之一。 传统的OFDM信道估计方法是基于导频的估 计,即在原始数据流中,按照一定的规则插入已知的 导频信号;在接收端取出导频,进行初步估计得到导 频处的信道估计值,然后通过滤波或插值得到整个 假设多径衰落信道由 条路径组成。则信道冲 激响应可以表征为 £一】 h(t, )=∑ ̄k8(7一Tit) (1) 式中, 为信道多径数, 为第k条路径上的延时, 信道的信息 。文献[3]比较了几种不同插值方 法的性能。当信道可视为慢衰落信道时,基于块状 导频的信道估计不需要进行频域内插,大大降低了 运算量,而且由于所有的子载波上都有导频信号,因 此对信道频率选择性衰落不敏感。 本文假设多径信道是慢衰落的,首先构建一个 完整的OFDM系统,分析了几种典型信道估计算法 为第k条路径的衰落。图1给出了一个3径信道 的仿真曲线。当无线信道为准静止信道时,其自相 关矩阵可以表示为: R从=E{M }={r肌. } rm,(2) ii为矩阵足M中位于第m行n列的元素 收稿日期:2011一Ol一21 作者简介:丁敬校(1987一),男,在读硕士研究生,研究方向为 OFDM系统中的信道估计技术。 一81— =。 El }_El∑oL-1 lie-J. L∑1一  } (3) 式中, ~表示均方根时延。则将式(3)归一化 后有: 1一e—No( +2 Im,) … n (1(一e一  )()( +2 ’ ) ¨ m 1.2接收信号模型 OFDM系统的原理框图如图2所示。在发送 端,先进行信道编码和交织,然后进行QAM映射, 经过串/并变换之后插入导频,并进行IDFr变换完 成子载波调制,最后加上循环前缀,送入多径时变信 道。在接收端,先去掉数据中的循环前缀,提取导频 图1 3径瑞利衰落信道响应 进行频域信道估计,根据估计值进行信道补偿,完成 信号检测。假设cP长度大于最大多径时延,且系 统已获得良好的同步,那么在OFDM系统中可以忽 若信道多径时延在cP长度(Ⅳ。)内均匀分布, 信道延迟功率谱服从指数分布: o(r )=Ce— 一 (4) 略IsI和ICI,接收端信号的频域表达式为: I,(k)= (k)日( )+W(|j}),k=0,1,…,N一1 (6) 并 / 由 H紊H H H誓 H z。十_-4 信道 篁H篓H H茎H辇 H :: 恫 图2 OFDM系统结构 审 | 并 2 信道估计 2.1最小平方(LS)法 2.2线性最小均方误差(LMMSE)法 将式(6)写成矩阵形式,得 Y=XFh+W LMMSE估计是对LS估计的最佳线性滤波。以 最小均方误差(MSE)为准则,最佳线性信道估计: (7)hLMMsE=KxhLs (1O) 式中,Y=[Yo,y1,…, 一 ] ,X=diag[Xo,X ,…, 一 ] ,W=[ , ,…, 一 ] ,h=[ , -. 式中, 和^ 分别是LS估计和LMMSE估计的 信道频率响应的向量形式。 为与传送信号 有 关的线性滤波矩阵 Kx=RM(R + 2 ( ) ) (11) hJv一 ] 为H=[日0,日 一, 一 ] 的IDFT变换,F 为DFr矩阵。假设h服从高斯分布且与信道噪声W 不相关,则h的最小均方误差估计为: ^一。=RhyR ̄rlY (8) RM为信道的自相关矩阵,由信道的延迟功率谱 LS的目标是使(Y—HX) (Y—HX)最小,化简 后得到基于LS准则的信道估计为H岱=X~Y,由此 得到导频子载波的信道响应为: V V V 决定,可由式(5)计算。式(11)中对矩阵求逆的过 程十分复杂,这将明显增加LMMSE算法的运算量。 为了降低算法的复杂度,可以将( ) 的逆用它 的期望值E(XX ) 代替 ]。假设信源等概分布, 则E(XXH)~=E I 1Ix l ,,其中I为单位矩阵。定 日 =[ , ,…, 0 1 ] (9) 义平均信噪比为SNR=E l l / :,则式(10)可以 化简为: D ・ N一1 LS算法每估计一个信道衰落系数只需一次乘 法运算,实现简单。其缺点是受噪声的影响较大。 一hLMMs =R^Jl(R + )-1hLs (12) R2一 式中,口=EIx I EI1/x I ,是由星座图决定的常数, 长16 s,128个子载波,16QAM调制,4径瑞利衰落 在16QAM调制时, =17/9。可以看出式(12)只需 要进行一次矩阵求逆,运算量大大降低。 2.3奇异值分解(SVD)法 信道,最大多普勒频移为10Hz。根据式(18)计算均 方误差。 Ⅳ一1 L一1 运用最优降秩理论,可以进一步降低运算量,得 到一个低阶的近似LMMSE估计器。简化算法是通 过奇异值分解(SVD)来实现的[8]。信道自相关矩 阵的奇异值分解为: RM=UAUH (13) MSE=∑∑l (l ,z)一h(n,z)l I/ n=U‘=U 』v一1 一1 ∑∑}l h(n,f)Il (18) 式中,Ⅳ为子载波个数, 为OFDM符号长度。仿真 的误码率曲线和均方误差曲线分别如图3,图4所 示。 U为包含奇异值向量的酉矩阵,A为包含奇异 值A。≥A ≥…A 一 I>0的对角矩阵。最佳秩P的估 计器: Jtp=U[D 。。 ( + … = 。 hI5 (14) 式中,厶 为的P xp阶左上角矩阵。矩阵RJl^的奇异 值A 可看作第k个变换系数上对应的信道功率。 可以看作变换矩阵,由于U为酉矩阵,所以 可以看作是对h 的旋转,因此U 的各分量是不相 关的。可推导出降阶估计器的维度近似为2BT+1, (B为单边带带宽,T为符号周期)。因此,R从的奇 异值在G+1个值之后将变得很小(G为循环前缀 的长度)。估计器的误差: ep=^一hp= 叫一 。】 一 。 , 式中, 为实际信道响应, 为噪声项。其平均MSE 为: MSE(p)=亩Trace {eP。 }= c砉 c・一 塞 + 毫 = 1 P L ( 一 ) + ]+ 妻 (16) 如果在估计器中不利用信道功率,当SNR趋于 无穷大时可得到式(17)所示的MSE下界,即MSE 会出现“地板效应”。 (p)= ∑ (17) 3仿真结果和分析 仿真参数设置如下,OFDM符号长度128 ̄s,CP 图3 SNR—BER曲线 图4 SNR—MSE曲线 可以看出,LS的性能受信噪比的影响较大。 LMMSE算法的性能明显优于 算法,主要是因为 LMMSE算法利用了信道的自相关特性。在信噪比 较低时SVD算法和LMMSE算法的性能相当,但随 着信噪比的增加,SVD算法会呈现出其固有的“地 板效应”。 4 结束语 基于块状导频的信道估计不需要进行频域内 插,算法简单;而且由于所有的子载波上都含有导频 信号,所以可以较好地抵抗频率选择性衰落。本文 基于块状导频分析了几种典型信道估计算法的基本 原理并导出了SVD算法的均方误差下限,通过仿真 给出了各种算法的性能曲线。可以看出,算法的简 化总是以牺牲其性能为代价。在实际应用时,要在 算法的性能与复杂度之间折中。 (下转第87页) 一83— </class> 信息标签显示,如<s:fielderror/><s:actionerror/> </hibernate—mapping> 通过Hibernate的映射文件( .hbm.xm1)将这 些数据库文件映射成持久化对象(POJO),可以直接 通过DAO来调用这些POJO,从而对数据文件进行 标签。系统中的报表使用FlexCell控件实现。其部 分效果如图3所示。 CURD操作。DAO类提供对各个持久化对象的 CURD操作,开发人员可以通过调用DAO中适当的 !Itll 电力 天髌气 木攥气 方法来操作数据文件,免除了以往JDBC操作数据 库时复杂的SQL语句的测试。本文给出了NyNyxx— DAO中查找的代码: 攥气 新术 循环表 覃煮 氯气 空气 Public List ifndNyxx(NyNyxx instance){ try{ List result=session.createCriteria(”corn.ems. hibernate.bean.NyNyxx”).add(Example.create( I《 睦 匿 图3 能源消耗的录入页面 4 结束语 主要介绍了基于Struts2+Hibernate+Spring框 instance)).1ist(); log.debug(”find nyxx successful,result size:”+ 架下能源管理系统的设计与实现,该系统高效地实 现了对能源的管理,从而大大提高了企业管理效率。 SSH2轻量级框架给人们提供了功能强大的开发环 境,Struts2是良好的Web层框架,Hibernate实现了 对象的持久化以及对持久化对象的处理降低了业 务层与数据层之间的耦合性,简化了对数据库的操 作过程,Spring的IoC容器功能和分层架构优势可 以将三者集成。实践表明,SSH2框架使三者优势得 results.size()); return results; }catch(RuntimeExcepti0n re){ log.error(”find by nyxx failed”,re); throw re; } } Session.save(),session.delete()和session.update ()是Hierbnate提供的插入、删除和更新的方法。Hi— bemate也提供一种类似于SQL的数据操作语言HQL, 到充分发挥,开发效率得到大幅提高,同时也使系 统具有更好的可扩展性和可维护性。 参考文献: [1]李刚.Stutsr2权威指南——基于Web W0rl(核心的MVC开 发[M].北京:电子工业出版社,2007. 它在功能和使用方式上者 }常接近标准的SQL。 3.5表现层的实现 表现层主要由JSP实现,Struts2丰富的标签提供 表单的输人和输出。查询的信息以列表的形式显示, 用Struts2的<if/>标签嵌套迭代标签<iterator/> 显示。提示验证的错误信息,通过Struts2的错误 [2]林信良.Spifng ̄2.0技术手册[M].北京:电子工业出版社,2008. [3]夏昕,曹晓钢,唐勇.深入浅出Hibernate[M].北京:电子工业出 版社,2006. [4]中国钢铁工业的能耗现状及分析研究[EB/OL].http://stock. jr.om.en/news/2007—01—08/000001902929.htm1. 责任编辑:肖滨 (上接第83页) [5]周鹏,赵春明,盛彬.MIMO—OFDM系统中基于导频辅助的信道 参考文献: [1]Michele Morelli,Umbe ̄o MengMi.A Comparison of Pilot.Aided Channel Estimation Methods for OFDM Systemsf J].IEEE Transae. 估计[J].电子与信息学报,2007,29(1):133—137. [6]Ye Li.Pilot-Symbol—Aided Channel Estimation for OFDM in Wireless Systems[J].IEEE Transactions on vehicular technology,2000,49 (4):1207—1217. tions on signal processing,2001,49(12):3065—3073. [2]Jihyung Kim,Jeongh0 Park。Daesik Hong.Performance Analysis of Channel Estimation in OFDM Systems『J].IEEE Tmnsactions on [7]Meng—Han,Wei Che—Ho.Channel estimation for OFDM systems based on comb—type pilot arrangement in frequency selective fading sinalg processing,2005,12(1):60—62. channels[J].IEEE Trnsactaions on consumer electronics,1998,44 (1):217—225. 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