LTE OFDMA系統基于最大徑選擇的信道估計算法

摘 要:針對3GPP LTE下行鏈路提出了一種有效可行的信道估計方法，其原理是首先在時域用LS算法估計出信道的沖擊響應，然后通過忽略信道響應能量較小的一些徑，這樣在進一步抑制噪聲干擾的同時還有效控制了算法復雜度;最后，將得到的經過徑選擇的時域信道沖擊響應向量變換至頻域，得到用于最終信號檢測的頻域信道響應向量。仿真結果表明，該改進算法與傳統的LS算法相比，在保證低復雜度的同時，提高了信道估計精度。

關鍵詞:3GPP LTE;信道估計;LS;最大徑選擇

中圖分類號:TN911文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-069-03

Channel Estimation Algorithm Based on Dominant Taps Selection for LTE OFDMA

WEI Wenjuan，TAO Jian，LI Ping′an

(Information Engineering College，Wuhan University of Technology，Wuhan，430070，China)

Abstract:A new channel estimation method is proposed for channel estimation in the 3GPP LTE downlink.The channel estimation is first implemented in the time-domain before selecting the dominant channel taps to improve the Signal to Noise Ratio (SNR) by ignoring the taps corresponding to the lower powers.In the frequency-domain，the transformed channel data corresponding to the pilot positions are further chosen to implement a channel interpolation before signal detection.Simulation results show that the proposed method outperforms the traditional LS approach in the frequency-domain，without increase in the computational complexity.

Keywords:3GPP LTE;channel estimation;LS;dominant channel taps

0 引 言

第三代合作伙伴計劃(Third Generation Partnership Program，3GPP)于2004年年底開始了通用移動通信(Universal Mobile Telecommunication System，UMTS)技術的長期演進(Long Term Evolution，LTE)項目，目的是提高UMTS通信標準以跟進未來移動通信技術要求。在UMTS Release 8的空中接口標準中，單載波頻分多址接入(SC-FDMA)和正交頻分多址接入(OFDMA)分別作為物理層上行和下行的關鍵技術之一被采用[1，2]。OFDM是一種數字多載波調制技術，其原理是將數據串并變換后調制到一組等小間隔的正交子載波上，這一過程可通過離散傅里葉變換(IFFT)實現。OFDMA尤其適用于頻率選擇性信道和高數據速率傳輸。

目前，針對OFDM系統的信道估計方法已得到廣泛研究[3]。其中，基于導頻的傳統LS信道估計方法因其低復雜度且不需要任何信道的先驗信息，實現簡單而被廣泛應用。但LS算法的性能較差，受噪聲影響較大[4]。為了提高估計精度，文獻[5]提出了一種降低時域信道沖擊響應采樣率的方法，以減少噪聲干擾。本文基于LS算法和降采樣思想，為3GPP LTE下行通信提出了一種改進的信道估計方法。首先，對接收到的時域信號做一次LS估計，選擇其中能量較集中的幾個徑抽頭，而剩余能量低的徑主要是噪聲成分，將這些信道抽頭置0，就可在一定程度上抑制噪聲干擾;然后將處理后得到的時域信道矩陣變換至頻域，采用低復雜度的頻域均衡來檢測信號。

1 系統描述

在LTE物理層規范中，除非特殊說明，各種域的時域大小表示為時間單位Ts=1/(1 500×2 048)的倍數，一個無線子幀的長度可以表示為Tf=307 200×Ts=10 ms。LTE支持兩種類型的無線幀結構:類型1，適用于FDD模式;類型2，適用于TDD模式[6]。本文是基于類型1進行的仿真研究。

圖1給出了LTE FDD模式下的OFDM調制原理框圖。映射到星座圖后的串行輸入復信號ai(i=0，1，…，N-1) 經過串/并變換后調制到N個正交子載波上，各子載波間間隔為Δf，其后對這個N點的符號序列進行IFFT變換來實現OFDM調制，這樣就得到一個時域的OFDM符號。為了抑制OFDM符號間干擾(ISI)及碼間干擾(ICI)，信號傳送前須將每個OFDM符號的后面NCP點的數據復制并添加到該OFDM符號的前面，這一部分被稱為循環前綴(CP)。循環前綴的長度選取要大于多徑信道的最大時延，這樣就可有效抑制因多徑時延造成的ISI。添加了循環前綴的傳輸序列s(k)經過無線信道，到達接收端，經過采樣頻率為1/Ts的下采樣后得到序列r(k)，接著依次進行去循環前綴，OFDM解調(FFT變換)，信道估計和信號檢測。表1給出了系統的調制參數。

圖1 OFDM調制原理圖

表1 LTE OFDM調制參數

名稱參數

幀長 /ms0.5

子載波間隔 /kHz15

系統帶寬 /MHz1.252.55101520

抽樣頻率 /MHz1.923.847.6815.3623.0430.72

FFT點數1282565121 0241 5362 048

被調制子載波761513016019011 201

圖2為LTE時頻域幀結構示意圖。當采用常規CP時，一個時隙(0.5 ms)符號包含7個OFDM符號。由表1可知，每個OFDM符號中，N個子載波中只有中間Nm個子載波用來調制有效數據，剩余對應于中間直流數據以及兩邊用做保護帶數據的子載波并未得到有效調制。如圖2所示，每個LTE子幀中時域上插有兩列導頻符號:第1參考符號和第2參考符號，它們分別位于每個時隙的第1個OFDM符號和倒數第3個OFDM符號中。在頻域，每6個子載波插入一個參考符號，這個數值是在信道估計性能和RS開銷之間求取平衡的結果。

圖2 LTE OFDM幀結構

在接收端，時域下的接收信號可以表示為:

r=FHAFLh+n

(1)

其中:h是L×1的時域信道沖擊響應向量;FL是N×L的傅里葉矩陣，如式(2)所示;A是N×N的對角矩陣，對角上的元素是待發送的頻域信號;FH是N×N反傅里葉矩陣;n則是一個N×1向量，代表加性高斯白噪聲。

FL=111…1

1W1W2…W2(L-1)

1W2W4…W3(L-1)



1WN-1W2(N-1)…W(N-1)(L-1)

(2)

其中:

W=e-j2π/N

(3)

2 算法描述

2.1 最小二乘法信道估計

式(1)中接收到的時域信號還可以表示為:

r=Sh+n

(4)

其中:

S=FHAFL(5)

A=Ad+Ap(6)

式中:Ad和Ap為兩個N×N對角矩陣，其對角元素分別是映射到星座圖的待傳輸復信號和導頻信號。假設待傳輸的復信號為統一分布于16QAM星座圖上的復信號，那么可以做式(7)所示的假設:

SFHApFL

(7)

用LS準則估計出信道時域沖擊響應向量h:

=(SHS)-1SHr

(8)

將式(7)代入式(8)可得:

=(FHLAHpApFL)-1FHLAHpFr

(9)

2.2 最大徑算選擇算法

將式(9)得到的時域信道響應向量經過FFT變換到頻域，就可以得到最終用于頻域信號檢測的信道響應。顯然，這樣得到的頻域信道響應的性能好壞取決于時域的LS估計。由于大部分時域信道沖擊響應徑抽頭都會受到高斯白噪聲的影響，那么考慮將一些功率弱的徑置0，而只選取功率最大的J條徑，就可以起到抑制高斯白噪聲的作用，因為被置0的一些弱徑上的功率成分很大程度來自噪聲干擾。本文就是基于這一思想提出改進算法。圖3給出了運用最大徑選擇算法的系統框圖。對于徑數J的確定要視仿真環境而定。這里選取3GPP空時信道多徑數的兩倍進行仿真[7-10]。

用n0，n1，…，nJ-1表示J條被選取的功率最大徑，則有:

hdct(n)=(n)，n∈β

0，nβ

β={nn=n0，n1，…，nJ-1}(10)

再進行式(11)的運算就可以得到頻域的信道響應向量，并用于最后的頻域信號檢測。

Hdct=FLhdct

(11)

圖3 最大徑選擇

3 仿 真

本文利用20 MHz帶寬進行仿真，表2和表3列出了仿真參數。

表2 仿真參數

名稱參數

系統帶寬20 MHz

采樣頻率30.72 MHz

FFT 點數2 048

CP長度4.69 μ s×65.10 μ s×1

被調子載波數1 201

調制方式16QAM

表3 信道參數

功率時延譜 /dB0.0-1.0-9.0-10.0-15.0-20.0

相對延時 /ns03107101 0901 7302 510

對基于LS的降采樣信道估計算法和改進算法同時進行仿真以做比較。圖4和圖5分別為不同車速下兩種算法仿真結果。結果顯示針對LTE OFDM系統提出的改進的信道估計算法在一定程度上提高了估計性能，降低了誤碼率，且在高速環境下性能提高更明顯。同時，由于該算法將某些徑置0使得后面的傅里葉矩陣相乘運算更簡單，從而降低了運算復雜度。

圖4 車速為30 km/h時的誤碼率比較

圖5 車速為120 km/h時的誤碼率比較

4 結 語

基于對LTE OFDM系統標準的研究，本文在傳統LS估計方法的基礎上提出了基于最大徑選擇的改進算法。仿真結果表明基于最大徑選擇的LS信道估計方法通過進一步消除噪聲干擾，在保證低運算復雜度的前提下提搞了估計性能，降低了系統誤碼率。

參考文獻

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[2]沈嘉，索士強，全海洋，等.3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統設計[M].北京:人民郵電出版社，2007.

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[5]Andrea Ancora，Calogero Bona，Dirk T M.Slock.Down-sample Impulse Response Least-squares Channel Estimation for LTE OFDMA[A].IEEE ICASSP[C].2007.

[6]3GPP TS 36.211 V8.4.0.Physical Channels and Modulation.2008.

[7]3GPP TR 25.996 (V8.0.0).Spatial Channel Model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) Simulation.2003.

[8]I I Gyu Kim，Youngnam Han，Young Hoon Kim，et al.Transmit Diversity and Multiplexing Methods for 3G-LTE Downlink Control Cha-nnels[A].Vehicular Technology Conference[C].2006:1-4.

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[10]胡宏林，徐景.3GPP LTE無線鏈路關鍵技術[M].北京:電子工業出版社，2008.