基于压缩感知的MIMO-OFDM系统信道估计算法研究

低精度ADC下的大规模MIMO-OFDM信道估计算法

戈立军，朱德宝

（天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387）

ChannelestimationalgorithmformassiveMIMO-OFDMsystemswith

low-precisionADCs

GELi-jun，ZHUDe-bao

（SchoolofElectronicsandInformationEngineering，TiangongUniversity，Tianjin300387，China）

Abstract：Achannelestimationalgorithmbasedonquantizedcompressivesensingisproposedformassivemultipleinputmultipleoutput-orthogonalfrequencydivisionmultiplexing渊MIMO-OFDM冤systemswithlow-precisionanalog-

to-digitalconverters（ADCs）袁whichistheblocksparsitymulti-bititerativehardthresholding渊B-MIHT冤algo鄄

rithm.TheB-MIHTalgorithmexploitstheblocksparsitycharacteristicsofmassiveMIMO-OFDMsystemchan鄄

nels袁andcombineswiththemulti-bititerativehardthresholdingalgorithmbyconstructingtheequivalentblock

sparsechannelmatrices.ThealgorithmestimatesthechannelinformationofmassiveMIMO-OFDMsystemswith

第２７卷第１１期　计算机仿真　２０１０年１１月　

文章编号：１００６—９３４８（２０１０）１１—００９５—０３　

ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ的信道估计算法研究　

张鹏，李　宏　

（西北工业大学，陕西西安７１０１２９）　

摘要：关于无线通信问题，为提高容量和传输效率，提出了一种基于变步长的ＬＭＳ的自适应信道估计跟踪算法，用于快时变　衰落的ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统无线信道估计中。采用ＬＭＳ分别跟踪信道经ＱＲ分解后的两个矩阵，迫使非上三角的元素为零，　抑制了部分干扰与噪声。再通过将抽头输人向量的平方欧氏范数进行归一化，用来调整ＬＭＳ自适应算法的步长，以达到有　效跟踪的目的，同时避免了矩阵的求逆运算，降低了实现的复杂度。通过计算机仿真验证了改进的基于变步长的ＬＭＳ自适　

应算法在精度和性能上优于原有的算法。　关键词：多输入多输出；正交频分复用；自适应算法；信道冲激响应　中图分类号：ＴＰ３９１　文献标识码：Ｂ　

Ｒｅｓｅｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ＭⅡ　。一ｏＦＤＭ　

ＺＨＡＮＧ　Ｐｅｎｇ，ＬＩ　Ｈｏｎｇ　

（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ　Ｓｈａｎｘｉ　７１０１２９，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｓｅｌｆ—ａｄａｐｔｉｖｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ＬＭＳ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｔｅｐｓ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，　

ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆａｓｔ　ｔｉｍｅ—ｖａｒｙｉｎｇ　ｆａｄｉｎｇ　ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｈａｎｎｅ１．Ｕｓｉｎｇ　ＬＭＳ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　

ｔｏ　ｔｒａｃｋ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｍａｔｒｉｘｅｓ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｆｏｒｍｓ　ＱＲ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｅｌｓ　ｔｈｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｎ——ｕｐ—　

第３５卷第４期　２００８年４月　应　用　科　技　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３５，Ｎｏ．４　Ａｐｒ．２００８　

文章编号：１００９—６７１Ｘ（２００８）０４—００２２—０４　

ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统中信道估计算法的改进研究　

李　明，马惠珠，纪迪　

（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）　

摘要：提出一种新的基于最小二乘准则的频域信道估计算法，该算法设计了一种新的具有互补性的２个连续　训练序列，对所有子载波的频率响应进行估计，减小了线性内插造成的误差，并在多普勒频移不同时采用不同　的预估计值加权参数，有效地减弱了多普勒频移对估计精度的影响．仿真结果表明，此算法在不增加计算复杂　度的前提下，有效地提高了估计精度．　关键词：多输人多输出；正交频分复用；最小二乘；信道估计　中图分类号：ＴＮ９１１　文献标识码：Ａ　

Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ　ｓｙｓｔｅｍ　

ＬＩ　Ｍｉｎｇ，ＭＡ　Ｈｕｉ—ｚｈｕ，ＪＩ　Ｄｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅ—　ｓｐｏｎｓｅｓ　ｏｆ　ａｌｌ　ｓｕｂ－ｃａｒｒｉｅｒｓ　ｕｓｉｎｇ　ｔｗｏ　ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｓｙｍｂｏｌｓ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｅｒｒｏｒｓ　ｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｌｉｎｅａｒ　ｉｎ－　ｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｌｏｗｅｒｅｄ：ｔｈｅ　ｅＩｊｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｓｈｉｆｔ　ｏｎ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｒｅ—ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｗｅｉｇｈｔｅｄ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｓｈｉｆｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｎｅｗ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ．　‘　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｈｉｐｌｅ—ｉｎｐｕｔ　ｍｕｈｉｐｌｅ－ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ）；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｈｉｐｌｅｘｉｎｇ（ＯＦＤＭ）；ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅ：ｃｈａｎｎｅｌ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　

MIMO-OFDM的信道估计算法研究

摘要 本文提出了一种改进的基于DFT的信道估计算法,算法首先估计出噪声方差,然后利用噪声方差和多径幅度值的平均值来设定一个门限,通过此门限对循环前缀内的信道时域冲击响应值进行阈值,进一步消除噪声的干扰。

关键词MIMO-OFDM;通信系统;系统模型

0引言

作为第四代移动通信系统关键技术之一,MIMO-OFDM技术将OFDM与空时编码技术有机的结合在一起,这样大大的提高了无线通信中的信道容量和传输效。MIMO-OFDM系统的接收机需要准确的信道参数来进行分集合并、相干检测和解码,因此,信道估计的准确性十分关键。本文提出了一种改进的基于DFT的信道估计算法,算法首先估计出噪声方差,然后利用噪声方差和多径幅度值的平均值来设定一个门限,通过此门限对循环前缀内的信道时域冲击响应值进行阈值,进一步消除噪声的干扰。

1 MIMO-OFDM系统模型

MIMO-OFDM系统采用NT个发射天线、 NR个接收天线,n个OFDM符号,N个子载波的OFDM系统。发射的符号向量

。这里表示第个发射天线的发射符号,该符号表示第n个OFDM符号,子载波为k。n个OFDM符号向量 是发射的符号向量 经过IFFT变换得到的,加上长度为LCP的循环前缀后表示为:

因此每个OFDM符号的长度为。

MIMO-OFDM系统建模为:

接收到的数据表示为:

上式中的 代表卷积,代表独立同分布的高斯白噪声 (AWGN),其均值为0,方差为 。

对公式(2)进行FFT变换可以得到频域表达式:

(3)

是接收的信号傅立叶变换, 是信道频域相应, 是发射信号的傅立叶变换,是

频域里加性高斯白噪声,均值为0,方差为。

接收端检测方法为:

(4)

为矩阵的共轭转置

2 信道估计算法

2.1 基本的DFT算法

基于DFT 算法的信道估计主要是利用了MIMO-OFDM系统中的一个特性,即信道冲激响应(CIR)的长度L通常情况下小于循环前缀的长度LG。因此如果把频域信道估计转化到时域,可以通过把N > LG时的信道响应值置零的方法,来消除信道中噪声的影响。