维普资讯 http://www.cqvip.com 第34卷 第6期 计算机工程 2Oo8年3月 VoL34 No.6 Computer Engineering March 2008 ・博士论文・ 文章编号:l0o0-_-3428(20o8)o6___0o38—03 文献标识码t A 中田分类号l TP391 STC.OFDM系统中的信道估计算法 焦慧黑,安建平 (北京理工大学电子工程系,北京100081) 摘要:针对稀疏信道特性的STC—OFDM系统,提出一种基于参数模型的导频信道估计方法。利用最小二乘算法估计出导频所在位置的 频率响应,用时间平均相关代替统计平均相关,得到信道相关矩阵的估计值。通过基于特征值分解的低秩建模,估计出信道的多径数目, 利用旋转不变子空间方法估计出各个延迟的时间参数,在频率和时间域上插值平滑得到信道的频率响应。该方法不需要已知信道的先验信 息,仿真结果证明了该方法的有效性。 关健诃:正交频分复用;空时编码;信道估计;参数信道模型 Channel Estimation Algorithm in STC—OFDM Systems JIAO Hui-ying,AN Jian-ping (Department ofElectronic Engineering,Beijing Institute ofTechnology,Beijing 100081) [Abstractl A channel estimation method based on parametric channel model using pilots in STC-OFDM systems is proposed here.The channel frequency response of the pilots is firstly estimated using LS algorithm,and then the correlation matrix of the channel is estimated by using the itme—average channel correlation matirx in place of the statistical correlation matirx.The number of the multi—path is estimated by low rank Eigen—value decomposition and the time delay is estimated by using Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques(ESPRIT).The entire channel frequency response is interpolated in time and frequency domain.The method need not know the prior in ̄rmation of channel,and the simulation results show the efficiency of the proposed method. [Key wordsI o ̄hogonal rfequency division multiplexing;space time coding;channel estimation;parametric channel model 1概述 验信息,包括各路径的增益及噪声方差。通常情况下,很难 空时编码(Space Time Coding,STC)系统可以在不牺牲带 获得信道的先验信息,针对这种情况,本文在文献[4】的基础 宽的情况下提供发射分集,在平坦衰落信道下有很好的性能, 上,提出了一种改进的可用于STC—OFDM系统中的导频信道 然而多径衰落信道会引起空时编码系统的符号间干扰,因此 估计方法,该算法不需要任何先验信息,可应用于非整数抽 将其与正交频分复用(Orthogonal Frequency Division 样的稀疏信道中。 Multiplexing,OFDM)技术结合,可以在频率选择衰落信道中 2 时变信道下的STC-OFDM系统模型 同时提供发射分集和获得编码增益。解码空时码需要已知精 图1给出了两发两收STC—OFDM在时变信道下的系统 确的信道状态信息(Channel State Information,CSI),CSI可以 模型。 通过发送导频序列进行估计。 对于单天线OFDM系统的导频信道估计,文献[1】给出了 整数抽样信道的估计方法,当多径时延不是整数抽样时,这 种方法会产生不可恢复的内插错误 j。文献[3】提出的对频率 域相关信息进行奇异值分解的信道估计方法,可以解决非整 数抽样信道估计问题。然而这种方法没有考虑特定的信道模 型,而当今无线通信系统的信道通常是有几个稀疏的多径, 图1 STC—OFDM的系统框图 针对这种情况,文献[4—5】给出了基于参数信道模型的信道估 计方法,降低了相关矩阵信道子空间的维数,用非线性估计 设总子载波数目为K,系统的采样周期为7’o假设第i 方法直接估计出各多径时延,但在低信噪比下受到门限的影 根发送天线和第. 根接收天线之间的信道时域冲激响应为 响。文献[6】给出了跟踪延迟子空间的算法,可以避免非线性 hi (f,r)=f_I hi(t)d(r一"ciT),L为多径时延的路径数。信道离散 估计的影响,但是由于采用DFT插值而不可避免地造成误差 , 一 塑 地板效应。 化后对应的频域冲激响应为H (n, )= hi(n)e KT,在接收 I 对于多天线的导频信道估计方法,文献[7】给出了最优导 端第 根天线经过FFT变换后的频域信号可表示成Rj(n,足)= 频序列和导频位置的设计,并给出了最小二乘信道估计方法, 这种方法适用于整数抽样信道。文献[8】给出了用于 作者简介:焦慧颖(1980--),女,博士研究生,主研方向:无线通信 STC OFDM系统中的低阶信道估计方法,减小了运算的复杂 信道估计;安建平,博士生导师 度,可以用于非整数抽样稀疏信道中,但需要已知信道的先 收稿日期:2007-03.25 E—mail:jhyinger@163.tom 一38一 维普资讯 http://www.cqvip.com X¨(.H ,2, k)X f(,2,足) ,,+r/In 足】,其中, r/jIn ,足】表示在,2时刻 根接收天线上相互独立的加性高斯自噪声,均值为零,方差 为 。 题 ,要求导频子载波间距满足 ≤ ,v为循环前缀的采样 V 长度。设RLs(n)=HLs(n)HLs(n)“是信道的瞬时相关矩阵,由 假设各个发射和接收天线间的信道响应是独立的,并且 信道的多径增益在两个连续的OFDM符号内保持不变,即 H¨(足)=H (1,足)=Hf-『(2,足)。则系统可以简化成 于各个发射和接收信道相互独立,这里忽略U。为了去除信 道在各个OFDM符号的相关性,采用前向/后向平滑的方法 来加强相关矩阵信号子空间的中心对称性。 ^fb 1 lRj ,(2 足)J l一X2 . ,足) , k )Jz甜 ,)J。l ,qj(2冲 足) ’ ,Xl( l,k)j..l LH"R (,2)=÷( (,2)+ ( (,2)) ),这里 是交换矩阵。设 是遗忘系数(o≤ ≤1),采用递归的方法,得到时间平均相 2 3基于参数模型的STC-OFDM信道估计 一般的信道估计方法分为两步,首先使用最d,-乘(Ls) 方法估计出导频所在位置处的信道信息,然后插值平滑出整 个信道的频率响应。 3.1 STC・OFDM系统的导颜信道估计 假设每个OFDM符号共有 个导频符号,导频图案是均 匀分布,所在位置ks=sK/S(0≤S≤S一1),间隔M= /S。 根据式(1),利用最小二乘方法,导频位置k 处的信道频率响 应估计值可表示成 H ( )= ( )~R (足 )=H (足 )+ ( ) J(足 ) (2) I-lj(ks) ̄ X2 (1, 1日2,J(足 )I L n 2 nl、 几 由于E{Hj(k )}=Hf(足 )+E{X(k ) (足 )}=H』(七 ),可 以看出这种估计是无偏估计。当导频子载波发射能量为单位 能量时,频域响应的MSE表示为 MSE{Hj(ks)}=÷E{IIH』(足 )一H,(足 )II }= Tr{X(k ) ( ) }≥ 容易知道,当导频符号也按照STC编码后,可以使得频 率响应估计器的MSE达到最小,满足信道估计的MMSE准 则,能够提高系统精度。 3.2参数模型的信道估计方法 考虑2Ⅳ个OFDM符号,因为假设在两个连续的OFDM 符号的信道频率响应保持不变,根据式(2)估计出第i根发射 天线和第,根接收天线Ⅳ个导频符号所在位置处的频率响应 Hf,』(,2)=[Hi,j(n,0),Hf,』(,2, ),…,H (,2,( 一1) )】 。根据随机 过程的各态历经假设,用时间平均代替统计平均,可以估计 信道的自相关矩阵。 R=÷∑HfV n=l ,j(n)Hi,』(,2)“ (3) ^ 当Ⅳ一÷o。,R接近于真实值。将自相关矩阵特征值分解, 可以分离出信号子空间和噪声子空间,从而估计出信道的多 径数目和各径对应的时延 J。这种方法假设信道时延参数在 Ⅳ个OFDM符号内保持不变,不能跟踪快速信道的变化,同 时由于存在特征值分解,算法复杂度较大,为了解决这个问 题,采用一种低秩自适应的方法,提高性能,降低复杂度。 3.2.1低阶自适应方法估计多径数目 OFDM的时间延迟估计可以等效于天线阵列的DOA问 ^ ^ ^ fb 关矩阵 f,2)=yR(n一1)+(1一力 (,2)。 基于序惯正交迭代和QR分解的子空间的快速算法步骤 如下: (1)初始化 确定遗忘系数 和 (,2)信号子空间的上限 , ] (0)=0;Q(0)=lI ll —Il ; (0)= ;p(… 0)=0; (2)子空间跟踪 A(,2)=yA(n一1)O(n一1)+(1一 RLs(n)Q(n一1) A(,2)=Q(n (,2) (QR分解) O(,2)=Q“(,2—1)Q(,2) (,2)=diag (,2) (,2)) (diag(A)表示以A的对角元素构 成的对角阵) (3)估计噪声方差和信号子空间的维数 p(,2)=7p(n一1)+(1一力tr(Ri.s(n)) ( (,2)的总功率) 2 1 6r(,2)= —二-一(p(,2)一tr( (,2))) (噪声功率的方差) —rmax 五(,2)=( (,2))“i=1,2,…, ^ ^2 r(,2)=Count{ ̄(,2): (,2)> (,2)} (Count{・}表示集合中 的元素个数) ^2 只有大于 (,z)的特征值对应信号子空间,可以估计 (,z)的信号子空间维数r(,z),同时确定信号子空间的特征向 量U (,2),为矩阵Q(,2)的前r(,2)列。 这种自适应低秩方法的算法复杂度为O(Kr ̄x ) ,采 用了低秩建模和递归运算,避免了特征值分解运算,降低了 算法复杂度。 3.2.2 ESPRIT方法估计各径时延 从 (,2)的信号子空间中得到 (,2)=【Is_l0 一 ] (,2)和 V2(n)=【0 一 , 一 ] (,2)两个移不变子空间,, 一 是 一1维单位 阵。利用式(4)得到多径时延的估计值 (,2)=—ang le(v[ (n))K (4) 一其中, v,(,2)是矩阵( ・ ・)~U U2的r(,2)个特征值 (1≤1≤r(,2)),angle(vI (,2))表示 (,2)复共轭的相位角。 3.2-3信道频率域上的插值和时间域上的平滑 利用导频位置处的信道估计信息H(,z)和估计得到的 ( ),可以得到时域的信道估计为 ^(,2)=(’ ci + “ ) H H (,2) 维普资讯 http://www.cqvip.com 其中, 是信号平均功率和导频功率的比值;SNR是平均信 2 噪比;l F 1 =e (0≤ ≤S一1,1≤l≤L);C 是信道多 径增益的协方差矩阵,通常情况下C 是未知的,由文献i11】, 对于均匀分布的信道功率延迟谱函数,信道估计器对C 具有 鲁棒性,因此可以选择C =diag([1/r(n),…,1/r(n)】)。从而所 有子载波处的频率响应为 日(n)=FM (n) 其eo,[FM] f=e (0≤k≤K-1,1≤l≤L)。这种插值方 法只利用了频率域的相关,可以使用时间相关来进一步提高 信道估计的性能。 参数化模型导频符号信道估计的均方差性能 r( n )lf,非参数化模型导频符号信道估计的均方 , 差性能 ,对于稀疏信道v+l,;(n),可见 使用参数化模型信道估计降低了信号子空间的维数,提高了 估计器的性能。 4仿真结果与分析 对所给的方法进行计算机仿真,系统带宽为2 MHz,256 个子载波,采用2根发射天线和2根介绍天线,空时分组编 码,循环前缀采样长度v=16,采用QPSK调制,每个OFDM 符号有32个导频子载波。信道采用COST 207模型的Tu典 型环境,有非整数抽样的6径。仿真结果如图2和图3所示。 100 一IdeaI channeI LS estimate 置10:避 10 3 10 0 5 10 15 2O 25 3O sN 如 图2 BER性能比较 0 5 10 15 20 25 SNRIdB 圈3 MSE性能比较 40-一 图2给出了非参数信道模型的最小二乘信道估计方法、 给定的参数模型信道估计方法和理想信道情况下,信噪比 SNR和误比特率BER的性能曲线,最大多普勒频率,n= l0 Hz。可以看出给定的信道估计方法有较好的性能提高。 图3给出了非参数模型最小二乘信道估计方法,给定的 参数模型信道估计方法的估计均方误差MSE和信噪比SNR 的关系曲线,从图中可以看出,参数模型信道估计MSE性能 要比非参数模型好大约4 dB,和理论分析的MSE值相符。 5结束语 本文针对稀疏信道特性的STC—OFDM系统,应用基于参 数化模型的信道估计方法,通过减小相关矩阵的信号子空间 维数减小运算量,同时利用迭代的方法避免特征值分解,进 一步简化算法。仿真结果表明,相对比非参数信道模型的方 法,无论在误比特率性能还是均方误差性能上,都有很大的 提高。 参考文献 [1]Michele M,Umberto M.A Comparison of Pilot—aided Channel Estimation Methods for OFDM System[J].IEEE Transanctions on Signal Processing,2001,49(12):3065—3073. 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