论文研究-单中继协同通信MIMO-OFDM系统的信道估计研究 .pdf

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单中继协同通信MIMO-OFDM系统的信道估计研究,李喆,俎云霄,在通信过程中,信道估计是设计接收机必须考虑的关键部分,对于MIMO-OFDM系统更是如此。对MIMO-OFDM系统而言,信道的个数将会随着天线数
山国武花论文在丝 技术 正交频分复用的调制技术是依据多径信道在频域中表现岀来的频率选择性衰落特性而 提出的。在频域内将信道划分为若干互相币交的子信道,每个子信道均拥有自己的载波分别 进行调制,信号通过各个子信道独立传输。其基本原理是通过串并变换,将高速的数据流分 配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输。每个子信道的频率特性就可近似看作是平 坦的,如果每个了信道的带宽被划分得足够窄,此吋每个了信道都可看作无符号间「扰() 的坦想信道,这样不需要在接收端使用较复杂的信道均衡技术的情况下就可对接收信号可靠 地解调。在 系统中,频域子信道之间的正父性是通过在 符号间插入保护问隔 米保证的,这就消除了 符号之间的干扰。 冋顾信号与系统理论,正弦信号的离散傅里叶变换()是一组正交基,任何一个信 号的在向量空间中可以表示为相可正交的正弦波的线性组合,本质上是使输入信 号和正弦基函数相关的一种变换。 运用这种变换将输入信号映射到正交子载波的 组基上,即的正交基函数上。相同的,这种变换也被应用于 系统的接收端来处 理接收的子载波。用子载的信号组合对发射端发射的源信号进行估计。利用了子载波的正交 和不相关特性的 系统具有很好的特性。 如图所示为 技术的实现框图 调制 X(k) x(n) x(n) 言道h(n) AWGN Y(k) y(n) y(n) 去 输出序列 解调 图 系统实现框图 技术 前文提到的技术与技术都可以有效提升无线通信系统的性能,那么,两 者是否可以有效结合、产生更大的优势则是研究者们研究的重点。从 技术方面来看, 均衡技术是解决频率选择性衰落冋题的常用方法,然而在实际应用中,必须使用抽头数很大 的时域均衡器。 系统中使用均衡技术会造成 接收札复杂度高、运算量大的问 题。从 技术方面看,它具有很好的抗频率选择性衰落能力,以及很强的抗多径十扰 性能,同吋还能有效提高频谱利用率。然而木来宽带无线通信系统要求有极高的频谱利用率, 技术为了提髙传输速率需要大幅增加载波数量,必然会有悖于带宽和功率均受限的 无线通信系统的要求。 技术与 技术的相互结合,既可以充分发挥 技术大容量的优势 同时也可以有效地解决单单靠 技术无法克服的宽带频率选择性深衰落问题。另外, 技术还能够支持更多的天线以及更人的带宽,能够显著降低 系统均衡的复水 山国武花论文在丝 度。在 系统的每个了载波上使用 技术后,在不增加系统带宽的情沈下就能 够显著提髙系统容量,有效提升频谱利用率,此外更可使用 的空间分集技术米减少 无线信道中多径衰落的影响,弥补髙速无线环境下单单靠 技术无法解决的抗多径衰 落性能不好的问题。 技术的系统框图如图所示,由该框架便可构建本文研究时所基于的 系统平台。 GFDM调制 OFDM枢调 空时编码 GFDM调制 OFDM舻调 N GTDM调制 0FDM解调 蹦码 信道 估计 系统原理框图 发射的符号向量 过变换得到个 符号向量 再加上长度 为的循环前缀,该符号向量使可以表示为: ∑ 其中每个 符号的长度表示为 即符号长度等于信号长度加导频长度。 系统建模如下 首先,接收到的数据表示为 其中, 代表独立同分布的高斯白噪声。 对上式进行变换即可得到频域表达式,为 接收端的检测方法为 信道估计方法 系统的信道佔计方法可分为导频辅助佔计算法(非肓信道估计方法) 盲信道估计方法和盲估计方法。盲信道估计基于子空间算法及高阶统计量,运算量大、灵 活性差;导频辅助信道估计算法是指在发射端以一定的间隔在某些位置插入已知的导频符 号,经过无线信道后,在接收端提取导频符号处的信道响应,并利用它们估计出数据符号处 的信道响应;半盲估计同时利用盲信道估计算法所用的信息和采用匚知符号的信息来完成信 道估计。 山国武花论文在丝 非盲信道估计方法 非盲信道估计方法的重点是对导频的插入方案,人致分为:梳状导频、块状导频和离散 导频。 )块状导频 该导频信号在时域中周期性插入,在频域中将所有的子蔹波都作为导频。由于该模式下 导频所在符号在频域上包括所有的了载波,因此这种导频模式对频夲选择性不是很敏感,适 用于信道佔计和吋域或频域的粗同步 ()梳状导频 该导频信号的插入方式是均勺的分布于每个传输符号中。假设两种导频载荷相同,梳状 导频具有更高的重传率,因此梳状导频结构在快速衰落的信道中佔计的效果比块状导频结构 更好。这种导频模式对频率选择性衰落比较敏感,适合用于相位补偿和载频的微调 )离散导频 离散导频结构较前两种导频分布结构要复杂得多,它要在时域和频域两方向上都等间隔 旳插入导频信号。为了能比较准确的估计边缘处的值,要使第一个子载波和最后一个子载波 上都包含有导频信号,并尽量使毎帧中的第一个和最后一个传输符号内郗包含导频信号。这 种导频结构可同吋用于信道估计和载频偏移的徴调 盲信道估计方法 与非盲估计方法相比, 系统的盲佔计算法通常利用信道的二阶统计特性 信号的相关性或者其他频谱特性进行估计计算。 目前的盲信道估计方法主要有两类,一类是统计性方法,另一类是确定性方法 ()统计性方法 统计性方法主要利用发送信号和接收信号的统计特性,如相关函数、相关矩阵等,其 核心是对自相关矩阵的子矩阵进行分解。统计性方法里研究最多的是子空间方法,它的基本 原理首先是在接收端采用递归算法求出接收信号的自相关矩阵,然后对其进行子空间分 解,得到接收信号的信号子空间和噪声子空间。利用噪声空间与信道冲激响应矩阵的正交性, 估计出信道冲激响应 ()确定性方法 确定性方法一般在接收端之后利用发送的啁制信号的固有特性对信道进行估计,由于 其计算量很大,因此难以实现ε确定性方法虽然保证了信道估计的精度,但是计算量却没有 降低。 总的来说,统计性方法虽然计算量较小,但是估计精度不高而且需要大量的接收信号 作为估计的基础,难以适应髙速移动环境和时变信道的要求;而确定型方法的估计精度晑, 且不需要很多的接收信号,有可能应用于髙速移动环境,但是由于它庞大的计算量而难以实 用。由于盲信道估计算法无需传送导频信号和训练序列,从而可以有效地节省系统带宽,提 高频谱利用率,更适合于高速的数字通信信道,但全盲算法复杂,运算量相对较大,鲁棒性 相对较差,而且收敛速度慢,不能有效地跟踪信道的变化,目前还难以实用化 半盲信道估计方法 非盲估计方法在导频个数较少时无法捕捉到,而盲方法复杂度大、收敛速度慢, 所以我们扣基于导频符号的估计方法和盲信道估计方法联合起来进行信道估计,跟踪信道的 山国武花论文在丝 变化状态,由此产生的方法称为半盲信道估计方法,它可以在数据传输和收敛速度之间取得 个折衷。与非盲方法和全盲方法相比,半盲方法的优点是:它可以改善盲方法的估计性能: 降低盲方法的复杂度,比非盲方法更节省了系统开销,提高了系统的颊谱利用率,而且半盲 算法比非盲和盲方法更只鲁棒性,能够提供比前两种算法更优的性能。因此 系统中的半盲信道估计算法日益受到人们的重视。下面本文将介绍两种有效的半盲估计算 基于线性预测()半盲估计方法 线性预测方法被广泛地应用于 信道的盲估计和均衡中。在 系统 中,假定发送的信号是实时不相关的,则接收到的 信号可以被看为是有限阶自回归 模型。基于过程,能够获得个线性预测滤波器来处理信道均衡二阶解卷积问题。 但是,这些算法需要大量的信号样本,而且算法的鲁棒性很差 基于线性预测的半盲算法仅仅基于一个长度稍长于信道长度的短向量的二阶统计量的 计算,与采用传统方法估计频率选择性道相比是非常有效的。这种算法是通过 线性预测方法获得 信道矩阵的盲限制,并结合少量的训练序列进行佔计,基 于准则得到半盲代价函数: 其中,是导频信号矩阵,是接收到的信号向量,a是权重向量 令 其中:= 是一个×( )的零矩阵 解决最小化问题的方法就是对半盲代价函数求偏导数 a 得到 +a 基于的半盲估计方法实际上是把基于导频的信道估计和盲限制联合起来的得到的 半盲代价函数,然后迭代进行计算。 基于线性最小均方误差 的半盲估计方法 另外一种常用的半盲信道估计方法是一种基于 的半盲信道估计方法。算法分 导频估计信道和数据估计信道两步进行估计,首先在导频估计信道采用 算法,得到 对信道的粗估计,然后通过对代价函数求导获得求信道估值的迭代关系式,以第一步得到的 信道粗估计作为迭代的初始值,经过数次迭代得到信道的精细估计值,该方法在导频数远小 于信道冲激长度时可获得良好的估计效果,并且能够很好的克服条件不能得到满足时出现的 系统性能失真 在进行导频信道部分的估计时,采用 准则得到: 山国武花论文在丝 其中为X的矢量,包含有未知的信号;为×的噪声矢量;为导 频子载波对应的×的矩阵,其元素为 是导频的位置, 因为估计信道时,不仅导频信号可以提供信道信息,其实数据信号也同样提供了大量 的信道响应信息。令表示用于信道估计的数据子载波数目。{}是数据信号,其中 ≤≤表示数据子载波位置下标。接收数据在频域是×的矢量形式,表示为: 式中为×的矢量,包含有未知的信号;为×的噪声矢量;为导 频子载波对应的×的 矩阵,其元素为 半盲代价函数可以表示为: 其中为导频处的信道响应。 对半盲函数求偏导数 其中 是一个对角矩阵 协同通信环境下的信道估计 在本文对协同通信环境的研究中,采用插入率为的离散导频,添加了中继方式为 放大前传()的单中继。为了做匕较,首先我们在般无中继平坦衰落信道坏境中对基 于准则的半盲信道估计方法和基于 的半盲信道估计方法进行仿貞,所得到的误 码率曲线如图所示: 山国武技论文在丝 信嗓比和误码率曲线 口| 一LN/MsE 信比 图无中继情况下两种算法的淏码率曲线 添加了中继方式为放大前传()的单中继后,经中继转发,信道佔计结果产生了变 化,所得误码率结果如图所示 信比和诶码率莊线 日Ls LMMSE 10 :::::: 长 15 信噪比 图单中继情况两种算沄的淏码率 由图可以看到,在单中继协同通信环境下,基于 的信道佔计方法在各个信噪 比值情况下,误码率都低于基于的信道估计方法,旱现出明显分级的状态。同时可以看 到,在增加了中继的协同通信环境下,经过中继放人转发的过稈,信道估计对误码率的影响 更加明显。 为了更直观地展小放大转发中继对信道估计结果的影响,将无中继和添加单中继两种 情况的误码率进行对比。如图所示: 山国武技论文在丝 LS不带中继 L带巾继 LMMsE不带中雏 MMSE带中雏 ; 10 图无中继与单中继情况卜误码率的对比 由图可以看到,增加中继之后误码率有一定程度的降低。这是因为,根据中继的工作 原理π知,中继在进行放大转发的时侯,接收杋会根据信号功率强、误码率较低的一路进行 选择处理,也就是选择性能较好的一路信号,所以经过中继进行转发而得到的误码率,比起 不经中继转发的信号的误码率会略微降低,性能有所提晑。 另外方面,如果增加中继点个数,那么系统会自动选择其中功率最大的路进行处 理,会获得更好的性能。 在考虑两种算法的误码率的同时,我们也要考虑两种算法所户生的信道容量和运算量 两种算法产生的信道容量曲线如图所示: 日一L — LMMSE 和 :=:· 信噪比 图单中继情况下两神算法的信道容量 经过中继放人转发过稈,两种算法的运算量差距较明显,所耗费的运算时间对比如图 所 山国武技论文在丝 2 0Q2 0 图单中继情况下两种算法的计算时间 山图可以知道,在单中继协同通信环境下,虽然基于 的半盲估计方法在降低 误码率、提高信道容量方面均有较好表现,但是在运算量方面却大大超岀基于的半盲估 计法 结论 准确的信道佔计是 系统达到良好性能的重要保证,而涉及到带中继的协 同通信环境后,该问题则变得更为复杂,也更有讨论价值。本文基于此硏究目的详细讨论了 在单中继协同通信环境下基于准则和基于 准则的两种不同半盲估计法的估计性 能,对两者的误码率和信道容量做出了对比分析,结果表明,在带有单中继的协同 系统中,基于 准则的半盲估计法以增加运算量、牺牲实时性为代价, 在降低误码率和提高信道容量方面有着较大优势,且在协同环境下的优势比起一般情氿下更 为明显。增加中继后, 系统的性能也有较明显的提高。 参考文献 周恩,张兴,吕召彪等下一代宽带无线通信 技术北京:人民邮电出版社 李莉,王坷 无线通信系统信道估计研究长春:吉林大学, 肖扬 多大线无线通信系统北京:人民出版社, 汪裕民 关键技术与应用北京:机械工业出版社, 朱立桔,周围移动通信中的 技术研究电信交换, 张玲,张贤达 系统的盲信道估计算法综述电子学报 周洁,赵晓辉,林高三 系统中一种基于 的半盲信道估计算法吉林大学学报

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