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超宽带系统中基于自适应定阶的DFT信道估计,李新苗,徐铁峰,本文研究了基于多带正交频分复用(MB-OFDM)的超宽带(UWB)系统中的信道估计问题。基于传统的离散傅立叶变换(DFT)的信道估计算法��
中国科技论又在线 http://www.paper.edu.cn 3.DFT信道估计算法 3.1LS信道估计 对于多带OFDM系统来讲,接收端可以用下式表达:Y=MH+n 其中,=diag(xx…x)H=[H0H1…H].Hk对应于信道冲激响应函数在 k个子载波上的频率响应,η是经过变换得到的频域噪声矢量。频域内的LS算法就是要满 足以下要求: His =min((r-XH)"(Y-XH) (3) 式(3)对H求偏微分后并令其结果为零,得 Y(0)Y(1)Y(M) X(0)X(1)X(N) (4) 可见基于LS准则的信道估计算法十分简单,只要在各了载波上进行·次除法运算,计 算量非常小。但是LS算法并没有考虑到噪声的影响,佔计的精度不髙。 32基于DFT信道估计 多带OFDM系统在数据传输过程中,有的子载波经历深衰落,使得信号被淹没在噪声中 另外,II的存在也会人人影响系统的性能。而ICI在很多时候表现为噪声的形式,如果能对 噪声和ICI进行一定程度的抑制,系统的性能必然将会提高。因此,可以采用带噪声抑訇的 信道估计方法来提高系统性能,此处的噪声是指噪声和ICⅠ。由此产生了DFT滤波方法 我们知道由各和算法得到的信道响应估计的精度通常受到算法本身引起的误差和噪声 的影响。因此,在低信噪比吋,即使在频方向上·个OFDM符号内的所有子载波均为导频 符号,也存在估计的误差。为了减小这个误差,通常在接收端加上低通滤波器。低通滤波器 的主要作用是减少噪声对信道估计精度的影响。 根据前面对LS信道估计的描述,在得到佔计的S后进行如图4处理。以下是其具体⊥ 作原理图 频域 时域 HpN点IDFT LS 低通滤波器 DET N点DFT 图4DFT滤波算法的信道估计框图 具体DFI滤波算法如下: 中国科技记文在线 http://www.paper.edu.cn 的令h=DFT(H1s),其中h=[(1)h2(2)…h(N),然后经过一个矩形窗 滤波 mr()=1h(p)0≤p<L-1 0L≤p<N (5) L为循环前缀的长度,滤波后再变换到频域: DET =DFT(himeflter (6) 但是,DFT的信道佔计只消除了循环前缀长度之外的噪声,循环前缀长度内的噪声并没 有得到抑制,因此算法信能还有提高的空间 在(5)式中我们取P为循环前缀的长度,认为超过循环前缀长度的部分都是喋声的影响, 但实际上UWB的某些信道多径时延长度要小」循坏前缀的长度。结合图2、图3信道模型, 我们发现,CMl和CM2的多径径数相对CM3和CM4较少,通常在8-15径,而且能量相对集中 在前几径。因此釆用循环前缀长度的P阶估计器后仍有很大一部分噪声的影响,本文运用AIC 准则,能够自适应的调整信道估计器的阶数,进而在没有增加系统复杂度的前提下,进一步 滤出了噪声的影响,提高了系统的性能。 33AIC准则定阶对DFT方法的改进 设系统数学模型为,Y=MH+m;Y是接收数据,H是信道矩阵。X是发射数据,具有 非奇异协方差矩阵T=E{},其中,O)表示厄密特转置、”是均值为零方差为δ的复 高斯随机过程,则其协方差矩阵可以表示为 W=E{"}=n2I ,其中是单位矩阵。另假 设Ⅹ和”是不相关的,在这些假设的前提下,接受的数据的协方差矩阵为 R=EY=HTH+O,T n1。其中,矩阵1扩展的L维子空间叫信号子空间,剩余的正交 矢量组成噪声子空间,理论上可以将R的特征值表示为42…22A=…λ,因此 对最小特征值的求解可以获得信号子空间和噪声子空间。 实际上,准确的薮据协方差矩阵是很难得到的,我们可以通过对观察到的接收数据的1 次有限采样待到近似的协方差矩阵并进行如下平均处理,得:R=7∑yy1。假改信道多 R 径数为m,理论上的秩为m,其特征值中有n-m个零(m为子载波数)。但由于估计出米 的R有噪声的影响,其特征值中会出现〃-m个很小的数值,因此矩阵R的特征值可以写为 λ≥,≥…≥刀n2…n,因此我们只需要根据AIC算法对R的特征值进行分析,以便得到 其信号子空间和噪声子空间。 AIC算法表示如下: AIC(k)=-2 log(LF-K))+2V(k, n) (7) 其中,是条件概率密度函数,(k,n)是补偿函数,则 中国科技论又在线 http://www.paper.edu.cn an n-k24,(k,n)=k(2p-k)。代入式(7)并由 AlC(m)=min(alC(o), AIC(1) ,A(C(n)式可以得到信道的多径数m 将估计来的多径数皿替换上上面的DFT信道估计中的P,既可以降低运算的阶数,又 可以减少噪声对信道的影响,从而达到以较低阶数的估计器来平滑4Bs的目的,精确度更 基于AC准则自适应定阶的DFT估计上作过程如图5: 接受信号 频域 解调 DFT LS估计 DFT估计 AIC自适应定阶 图5基丁AC准则自适应定阶的DFT估计 4.仿真的结果及分析 仿真中采用QPSK调制技术,信号带宽为528MHz:OFDM符号分为128个子载波,相邻 子载波之间的频率间隔为41254MHz,每个符号的持续时间为 2424ns,循环前缀为 1/4个OHDM符号长度,即32个符号长度;仿真环境为CMI信道,在各信噪比下进行1000次 仿真。 中国科技论又在线 http://www.paper.edu.cn 彐 LS Channel Estimation -DF T Channel estimation e Inprove Channel Estimation Ideal Channel Estimation 10 一一|一一 10 一一 二二二二二二二 4 5 8 图6熄算法与改进算法的BER线图 总结 基于离散傅立叶变换(FT)的UWB信道仁计算法相比MMSF算法计算复杂度低,相比IS 算法性能好,是一种可靠的UWB信道估计算法。其不需要已知系统的仟何信道信息,具有 一定的实际应用价值。传统的DF信道估计算法只消除了时域CIR估计中在循环前缀长度之 外的噪声,而循环前缀长度之内的信道估计值冋样含有喚声。因此基于DFT的信道佔计算法 还有性能提高的余地。木文提出了一种改进的基」DFT的信道估计算法,在最小二乘(LS) 信道估计基础上,运用 Akaike信息准则(AC)对DFT信道估计算法进行了优化,自适应定 阶,在不增加系统复杂度的前提下,有效地提晑了信道估计的精度。仿貞结果衣明,本文的 改进算法性能优于原算法。因此具有较高的实用价值。 参考文献 [1 ECMA International Standard ECMA-368-High Rate Ultra Wideband PhY and MAC Standard isi rue du Rhone 114 Cil-1204 Geneva 2005-12 [2]张在琛,毕光国.超宽带无线通信技术及其应用.移动通信,2004(1-2):110-114 [3]Anuj Batra, Jaiganesh Balakrishnan;Design of a Multiband OFDM System for Realistic UWB Channel Environments", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vo1. 52, No 9, September 2004 [4] Meng Han Hsich, Chc Ho Wci. Channel estimation for OFDM systems bascd on comb2typc pilot arrangcmcnt in frequency selective fading channels J1, IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1998, 1(44): 2172225 [5 Edfors, O, Sandell, M. Van de Beek, J -., and Wilson, s.K., OFDM Channel Estimation by Singular Value Decomposition, "IEEE Transactions on Communications, vol 46, pp. 931-939, July 1998 [OYANG G, LETAIEF KB, CHENG RS, et al. Windowed DFT based pilot-Symbol-aided channel estimation for OFDM systems in multi-path fading channels[A]. Proc IEEE VTC 2000 [C]. 2000. 1480-1484 [7]李钰,顾宇杰,陈抗生基于FB-CFAR的多径信道阶检测算法,电子学报VOL.35NO1,Jan.2007 [8 FOERSTER J, LI Q. UWB Channel Modeling Contribution from Intel IEEE P802. 15 Wireless Personal Area NctworksR] IEEE P802 15-02/279r0-SG3a 中国科技论又在线 http://www.paper.edu.cn A DFT Channel Estimation Based On Adaptive Order Determination in UWB Systems Li Xinmiao, Xu Tiefeng, Li Youming E-mail:xm1200(@126.com Abstract This paper focuses on channel estimation for MB-OFDM UWB system. The traditional DFT-based channel estimator only removes the noise in the channel impulse response(cir)beyond the length of the cyclic prefix( CP), while the noise within the length of the CP is not suppressed at all. Therefore, in this paper, we propose an improved dFT-based channel estimator. Based on Ls channel estimation, then, we performed channel estimation with the help of the methods based on information AIC theoretic criteria. It is shown that the proposed methods have higher precision and lower complexity. Simulation based on UWB standard IEEE CMl show that our improved channel estimator performs better than the original one Keywords: UWB; AIC; DFT; channel estimation 作者简介: 李新苗,女,1982年7月生,硕十,宁波大学通信技术研究所,⊥要研究方向是超宽带无 线通信; 徐铁峰,男,教授,博士生导师,现仼宁波大学信息科学与上程学院执行院长,目前的主要 研究方向是特种玻璃光纤、光电子学和光纤通信技术; 李有明,男,1963年9月牛,博士后,教授,硕士生导师,宁波人学信息科学与工稈学院通 信技术研究所工作,目前的主要研究方向是无线和有线宽带接入网,MIMO-OFDM技术, 认知无线电技术等 7

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