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MIMO-OFDM的信道估计算法研究

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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。

Step1:首先利用LS算法得到系统第j个接收天线第i个发射天线间天线对的训练导频符号的信道响应值

(5)

Step2: 对作快速逆傅立叶变换(IFFT)转换到时域,得到多径信道时域冲激响应,由于CIR的长度不大于OFDM循环前缀的长度LG,所以n>LG-1时应为干扰噪声,不含有任何信道信息,因此把时的估计值置为零,其余值不变,可得去噪后的信道估计:

(6)

Step3:然后对去噪后的信道响应估计做快速傅立叶变换(FFT)重新得到信道的频域估计:

(7)

2.2 改进的DFT算法

改进的算法是将频域信道估计转换到时域,然后将时域中循环前缀长度之外的信道估计值置零。改进的算法要求对循环前缀之内,也就是的信道估计值做进一步的处理,以便进一步消除噪声的干扰。具体步骤如下:

首先对对 作快速逆傅立叶变换(IFFT)转换到时域,得到多径信道时域冲激响应 ,由信道特性可知,n>LG-1的

值的全部为干扰噪声,则时域干扰噪声方差的无偏估计为:

(8)

当 时信道估计值 除了还有干扰噪声以外,还有信道多径幅度值的存在,因此信道估计值 可写为:

(9)

可见对 时的 ,其模的平方要么与相当,要么大于 ,当对于信道响应幅度大的路径来说,其模远大于

。因此我们可以找到一个门限对 进行阈值操作。这里所取的门限有两部分叠加而成,一部分是前述的噪声方差估计,另一部分是所有路径的信道响应幅度的模平方在循环前缀内的平均分布。则阈值门限公式表示为:

(10)

利用这个门限对 时的进行操作得:

(11)

在此基础上得到改进算法为:

(12)

最后,对上式进行快速傅立叶变换就会得到使用改进算法的频域信道响应估计值。

3 结论

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。通过计算机仿真验证了改进的基于DFT算法在精度和性能上优于原有的算法。

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MIMO-OFDM无线通信系统中信道估计和频率同步的研究.doc

MIMO-OFDM无线通信系统中信道估计和频率同步的研究.doc

MIMO-OFDM无线通信系统中信道估计和频率同步的研究

近年的研究表明,多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技术通过在无线通信系统发射端和接收端使用多根天线,能够为无线通信系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用增益可以有效提高无线通信系统的信道容量和频谱利用率；空间分集增益则可以有效克服无线信道的多径散射效应。此外,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)是一种具有较高频谱效率的多载波调制技术,它能够有效克服频率选择性无线信道产生的符号间干扰(Inter-Symbol Interference, ISI)。

因此,MIMO与OFDM技术相结合形成的MIMO-OFDM无线通信系统具有频谱利用率高、抗干扰能力强和易于实现等诸多优点,被广泛认为是未来无线通信标准的核心物理层技术之一。然而,与单天线OFDM无线系统一样,MIMO-OFDM无线通信系统通常对载波频率偏移(CFO)和相位噪声(PN)非常敏感。CFO和PN的存在会产生载波间干扰(ICI),破坏MIMO-OFDM无线系统的频率同步,从而使得无线通信系统的误比特率(BER)性能发生严重恶化。

同时,在MIMO-OFDM系统接收端,信道估计对接收机的相干检测具有至关重要的作用。因此,MIMO-OFDM无线通信系统中信道估计和频率同步的研究成为无线通信领域的研究热点。本论文研究了MIMO-OFDM无线通信系统中信道估计和载波频偏估计的若干方法,其目是分析和改善MIMO-OFDM无线系统的信道估计和频率同步性能。

本文以随机信号处理技术作为理论工具,分别对MIMO和MIMO-OFDM无线系统的时变信道估计、OFDM和MIMO-OFDM无线系统中的CFO估计以及MIMO-OFDM无线系统中信道、CFO和PN联合估计等问题进行了相应的研究,主要研究内容和研究成果如下：(1) MIMO-OFDM无线通信系统中基于粒子滤波的时变信道半盲估计。根据MIMO-OFDM系统模型,提出一种基于粒子滤波算法的时变信道半盲估计方法。首先使用多目标优化方法,对序贯蒙特卡洛(SMC)粒子滤波算法进行改进,然后将改进后的粒子滤波算法用于MIMO-OFDM系统的时变信道估计。

MIMO—OFDM系统的一种改进型LS信道估计算法

MIMO—OFDM系统的一种改进型LS信道估计算法

第４７卷第３期　

２００７年６月　Ｖｏ１．４７　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２００７　

文章编号：１００１—８９３Ｘ（２００７）０３—００２４—０３　

ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ系统的一种改进型ＬＳ信道估计算法　

杨博，罗汉文，余峰　

（上海交通大学电子工程系，上海２００２４０）　

摘要：基于多输入多输出正交频分复用（ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ）系统，研究了　信道估计算法，提出了一　

种训练序列和块状导频联合　信道估计算法，给出了权值的计算公式。理论推导和计算机仿真表　

明，这种改进型的　信道估计方法提高了　信道估计的误码率性能，并具有较高的灵活性和较低　

的复杂度增长。　

关键词：信道估计；多输入多输出；正交频分复用；最小平方；联合信道估计　

中图分类号：ＴＮ９１ｌｌ　文献标识码：Ａ　

Ａ　Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ＬＳ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　

ｆｏｒ　ＭＩＭＯ——ＯＦＤＭ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＹＡＮＧ　Ｂｏ，ＬＵＯ　Ｈａｎ—ｗｅｎ，ＳＨＥ　Ｆｅｎｇ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＬＳ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａ　ｔｒａｉｎｉｎｇ—ｂａｓｅｄ　

ａｎｄ　ｐｉｌｏｔ—ａｉｄｅｄ　ｊｏｉｎｔ　ＬＳ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｆｏｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｏｐｔｉｍａｌ　

ｗｅｉｇｈｔ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｉｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ＬＳ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　

ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ＢＥＲ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｉｔｔｌｅ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅ．　

MIMO-OFDM的信道估计算法研究

MIMO-OFDM的信道估计算法研究

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—　

水声MIMO-OFDM通信系统中基于导频的信道估计算法研究

水声MIMO-OFDM通信系统中基于导频的信道估计算法研究

５３卷第２期（总第２００期）　中　国　造　船　２０１２年６月　ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ　、，ｏ１．５３　Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉａ１　Ｎｏ　２００）　Ｊｕｎ．２０１２　

文章编号：１０００．４８８２（２０１２）０２．０１４９—０７　

水声ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭ通信系统中基于　

导频的信道估计算法研究　

王彪，夏捷，张尤赛　

（江苏科技大学电子信息学院，镇江２１２００３）　

摘　要　

正交频分复用（ＯＦＤＭ）和多输入多输出（ＭＩＭＯ）的结合可以有效地对抗多径衰落和码间干扰，大幅　

度提高水声通信系统的信道容量和传输效率，在高速水声通信中有着重要的发展前景。在分析梳状导频水声　

ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ通信原理的基础上，结合水声通信及信道传播特点，建立了信道模型，研究水声ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ　系统中的信道估计原理和Ｌｓ（最小平方误差）、ＭＭＳＥ（最小均方误差）算法。通过仿真试验比较两种算法在信　

道估计中的性能差异，为实际系统设计提供了理论参考。　

关　键　词：正交频分复用；多输入多输出；信道估计；最小平方误差；最小均方误差　中图分类号：ＴＮ９２９．３　文献标识码：Ａ　

０　引　言　

按照传输方式的不同，水下无线通信主要分为三大类：水下电磁波通信、水声通信和水下光通信。　与电磁波和光波相比较，声波在海水中的衰减要小得多，因此，水声是一种有效的通信手段。但是，　声速比电磁波的速率低５个数量级，水声通信有其自身的复杂性和特殊性，如水声信道复杂的时一空　

频特性、频带资源有限等。针对水声通信中频带资源有限的问题，发展了多输入技术（ＭＩＭＯ）与正　交频分复用技术（ＯＦＤＭ）相结合的技术Ｌ１ｊ。水声ＭＩＭＯ．ＯＦＤＭ系统既通过ＯＦＤＭ调制把频率选择性　

ＭＩＭＯ衰落信道分解成一组并行平坦衰落信道，又利用Ｍ１ＭＯ提高了信道容量。然而，水下声信道　（ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｈａｎｎｅｌ，ＵＷＣ）是一个复杂的时变、空变的多径衰落信道［２】，水声信道的多途性