OFDM系统中的信道估计研究现状分析

OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一, 它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的, 是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。OFDM技术具备以下优点:

1) 因为在移动通信里频带资源十分宝贵, 能否将有效的频带资源的使用范围扩大就意味着成本能否降低。OFDM技术正是利用这个关键点, 频域正交并行的处理技术, 是可以使得频谱效率能得到有效提高的。而此特点, 就可以使得LTE的频带利用率得到有效的提高。

2) OFDM技术信道改良作用是其最主要的优点, 体现在抵抗多径衰落的有效性上。将符号间干扰 (ISD) 变为载波间干扰 (ICI) 是利用同时分化在多个并行的子载波进行数据的传输, 因为正交性只有较少的干扰, 也就使得其得以实现。

3) 因为可以完全独立来定义各个子载波的数据, 也就能实现OFDM系统灵活配置。该方法通过极其简单的频率划分, 将其分配相应数目的子信道给其他用户也相对很简便, 也就可以实现。

4) OFDM技术独有的频分多址优势, 极易用OFDMA将不同用户区分开减少各用户之间的干扰, 这样该系统不是自干扰系统, 有效降低接收机的复杂度。

5) 离散傅里叶变换 (DFT) 是OFDM技术的关键处理运算, 现代数字信号处理 (DSP) 技术已使DFT变换的实现成本大大下降。

MIMO-OFDM系统是通过OFDM技术与MIMO技术的结合而构成, 近年来移动通信领域中重大技术发现的MIMO技术, 使传输的可靠性大大提升, 或者说是传输的有效性成倍提高。从使有效性提高的角度来讲, 该技术可以利用在发送侧采取分集的方式。换句话来说, 也就是简单拷贝和处理传输的同一份数据, 通过多个空间流信道传输, 使其成倍增长数据量数据。

空频分集 (SFBC) 技术的演变, 就是该技术在OFDM阶段, 可以根据在频域进行数据分集发送的分割部分而来。可以证明, 能够有效的提升系统的可靠性的还有空频分集技术。仅仅从想要提高传输有效性, 在发送侧采取复用的办法也可以在MIMO技术中实现, 换句话说, 此复用方法就是通过不同的空间流传输不同的数据, 信道容量得到成倍的增长。随着天线数目的增加, 系统容量几乎是成线性增加的。

OFDM系统有利有弊, 最明显的缺点就是对于频域噪声的敏感度高。OFDM传输技术中有一个重要的特点是, 具有正交性的子载波间, 会严重影响子载波之间的正交特性的可能是较小的频域校准误差, 因此会严重影响系统性能。因此, 在频域同步技术、信道估计技术、相位跟踪技术等技术领域里, 对OFDM系统的要求都较高, 这样也就促进了大量的研究。

1 OFDM系统中的信道估计研究的意义

实际应用中, OFDM系统可用相干检测或非相干检测方式进行接收。相干检测是使用的载波调制信号和所接收的调制信号相乘, 以获得检测信号被低通滤波调制。相干检测可以检测出信号强度, 以及相位和频率调制可以被检测出来。进入光接收器和本地振荡激光器 (LO) 之前光信号进行混合, 以产生等于其频率和激光的振动频率原始源之间的差成分。与直接检测相比较, 相干检测是更容易获得较好的信噪比, 信号类型可收回更多, 且频率选择性也更好, 更适合密集的波分复用系统。

在信道估计的接收端使用相干检测使用的信道信息。当选择采用差分调制方案时的OFDM系统, 就可在接收端做非相干解调。例如在欧洲数字广播系统中, 采用QPSK调制方案, 就利用上述方式, 但其有局限性, 仅能在较低数据速率的系统中使用。

对于非相干检测的OFDM系统来说, 接受端的技术选择是相对比较简单的, 因为其不关心信道状态信息 (CSI) , 但其性能比OFDM相干检测系统要降低3~4d B左右。在OFDM系统中很多时候也会采用高阶调制, 来提高系统的频谱效率, 例如M-QAM调制。也就是因为在这种调制下, 接收器需要先知道信道的状态信息, 才能够引导相干解调, 所以在OFDM系统中信道估计研究意义重大。

2 OFDM系统中的信道估计研究的现状

对OFDM系统的信道估计方法一般可分为两大类:一类是基于导频的信道估计;另一类是盲信道估计。首先估计出导频位置处的信道状态信息后, 通过这些信息估计出非导频位置处的信道状态信息, 这种方法被叫做基于导频的信道估计方法。另一类的盲估计方法则是, 不再使用导频符号, 而是通过采用相应的信号处理技术在接收端, 从而来获得时域或频域响应的估计值。将这两类方法相比较, 可以看出各有优势。后者可以使得系统的传输效率大大提高, 是因为其有效地避免了导频信号的开销, 但是缺点是比较慢的收敛速度和很高的计算复杂度。

对于基于导频的信道估计的方法, 最初, 采用最小二乘 (LS) 算法进行信道估计, 该算法受到很大的高斯白噪声和ICI的影响。为了使估计的精确度提高, 利用一种二维维纳滤波器进行信道估计, 不过要想设计滤波器, 需要知道大多信道的统计状态信息, 虽然该方法的实现可以有较高的估计精度, 但其庞大的计算量, 使得在应用中有一定的局限性。在2000年左右, 提出另一种方式, 将一个时域滤波器和一个频域滤波器来组成二维维纳滤波器。虽然两个一维维纳滤波器性能相似于一个二维维纳滤波器性能, 但是却可以大大降低计算量和复杂程度。为了使计算量进一步降低, 在此基础上提出了另一种方法, 只用维纳滤波算法即 (MMSE) , 估计导频位置上的频域响应值, 利用插值算法估计所有非导频位置上的频域响应, 这种做法可以进一步降低计算的复杂度, 而同时系统的性能还能保证没有明显降低。

基于导频的信道估计方法中还有一种是采用插值算法。可选择采用低通滤波的方式, 以提高信道频域响应估计的精度, 选用此方法, 可以使得信道估计的精度进一步提高。当然对于不同位置处的估计可以选取不同的估计方式。一般基于LMMSE估计的导频位置处估计, 有最好效果的是采用插值算法。

需要注意的是, 在实际应用的系统中, 很多时候并不知道信道统计状态信息, 因此, 基于DFT算法的信道估计方法更易实现, 其估计效果相对于基于LS算法得到的信道估计结果, 明显效果更好。但这种方法的使用也有局限性, 仅仅当为采样时间的整数倍的信道多径的时延扩展时, 该方法的估计性能最好, 其余情况下其估计性能都会受到影响。可是在实际的应用中, 并不可能一直是整数倍的情况, 为了使这一问题得到解决, 提出了一种加窗的DFT估计方法。并经过实验验证后得知在为非整数倍的情况下应用, 其估计效果良好, 不会受到影响。优化该估计方法, 为一个MMSE加权的处理方法, 可应用于信道状态未知情况下, 且复杂度很低。

在非盲估计方法里, 估计方法有很多的研究, 在不要求使用的情况下, 这是基于多项式模型的方法的信道状态信息。提出一种依赖于多项式系数和时频窗口的尺寸的信道估计方法, 是基于多项式模型然后贴合信道的特性的多项式函数, 通过发送信道获得的最终频率响应估计值H域训练序列, 以求得基底系数, 来实现所估计的信道。对于时变信道的情况下, 信道状态特性未知, 采用自适应维纳滤波器进行信道估计。

3 OFDM系统中的信道估计研究的发展趋势

在信道估计技术未来发展趋势的基础上, 发射分集和空时编码的OFDM信道估计的结合将成为一个热门话题, 已提出传输分集的信道估计的方法和基于空时编码的信道估计方法。然而, 这些方法都是针对缓慢变化的信道, 如何解决高速行驶下的快衰落信道问题的信道估计方法仍然是一个研究方向。

摘要：长期演进 (LTE) 系统在现代移动通信中有着不可撼动的地位和前景, 因而其物理层技术的研究就显得非常重要。为了有效地提高数据传输速率和频谱利用效率, 在LTE系统中选择采用了正交频分复用 (OFDM) 技术。在20世纪中期OFDM技术就已经被提出了, 可是关注度较低。直到20世纪末, 因为大量数字信号处理技术的应用, OFDM迅速成为了重点的研究方向。OFDM的重点思想是引入了一种并行传输。高速无线通信的特征是数据时间带很窄, 因为时延扩展而导致通信信道衰落具有较严重的频率选择性, 从而导致接收机的设计很复杂。使得信道获得改良的方法是, 采用并行传输多个载波, 并行传输高速的数据流, 同时具备正交特性的低速数据流, 也就是将频率选择性信道选择为平坦衰落信道。

关键词：OFDM,信道估计,LTE

参考文献

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