基于IEEE802.16d系統的簡易信道估計算法

易 淼

（1.宜春學院物理與工程技術學院,江西 宜春 336000;2.桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西 桂林 541004）

0 引言

無線城域網（Wimax）指的是無線通信網路覆蓋范圍大于無線局域網的一種無線通信技術,在IEEE802下設IEEE802.16來負責城域網,其中的IEEE802.16d是固定寬帶無線接入系統的標準。

在IEEE802.16d系統中,系統高速采樣而導致循環前綴的長度小于無線信道的最大多徑時延時,當采用基于導頻輔助的信道估計,需要消除接收端的ICI和ISI的干擾,否則信道估計性能十分不理想。一種有效的時域方法是對長時延擴展信道進行時域均衡壓縮,使無線信道的多徑時延長度小于循環前綴CP的長度。但壓縮后的有效信道沖激響應在頻譜上會出現零陷點,而且算法收斂較慢,需要大量訓練序列,不適合在IEEE802.16d系統中應用,可從頻域來消除干擾,即尋求一頻域干擾消除矩陣,但同時也帶來了太大的額外復雜度,實用價值不大。

該文提出了一種用IEEE802.16d系統前導碼的特殊時域結構來消除干擾的簡易信道估計算法。

1 CP不足對信道估計性能的影響

OFDM系統導頻信道估計模型如圖1所示。

圖1 OFDM系統基于導頻信道估計模型圖

記Pi=[0i,0…0i,NO-1pi,0,…,pi,Nu-10i,0…0i,NO-1],為第i個導頻符號,其中NO為系統保護帶虛載波數,Nu為有用子載波數。若N為總載波數,則有N=Nu+2No。經過N點IFFI后導頻的時域為Pi=FHPTi,其中F為N維傅里葉反變換單位矩陣。在加上長度為V的CP并經過串并轉換后,OFDM符號通過屬加性高斯白噪聲序列影響的多徑衰落信道。記h=[h0,h1,…hL]T表示長度為L的信道沖擊響應。

在接收端,串并轉換后CP被除去。FFT之前的導頻時域接收信號向量可表示為:

HCIRC、HICI和HISI均為N×N的矩陣。它們分別由式（2）、式（4）和式（5）給出,其中E=L-V-1。從式（3）可以看出,若V不小于L,則干擾矩陣HICI和HISI為:

均為零矩陣,此時就無ISI和ICI的干擾,采用適當的信道估計算法就可以很準確地得到被估計信道。但當V小于L即CP不足時,殘余ISI導致的當前符號內的ICI和前一個符號帶來的ISI會影響接收端的導頻信號,此時不管采用何種估計算法都很難準確估計出信道。

2 固定接入Wimax中CP不足時的信道估計

2.1 干擾的消除

固定接入Wimax系統的信道估計主要采用基于導頻的頻域信道估計,導頻利用前導碼中的2個特殊OFDM訓練數據。從式（1）可看出,當CP不足時接收端導頻信號的干擾來自該式右邊的第2項和第3項,若能抑制該2項的影響,則干擾就可完全消除。容易看出最理想的消除ICI和ISI就是使

從式（4）和式（5）可得出:

即第1個導頻OFDM符號在時域從任何時刻開始的V個采樣值需與第2個導頻OFDM符號中滯后V個采樣間隔時間的V個采樣值相等。圖2為前導碼中2個特殊OFDM導頻符號時域結構所需滿足的條件示意圖（其中P表示一任意的采樣時刻）。

圖2 固定接入Wimax中無干擾信道估計前導碼時域結構圖

為了盡最大可能無ISI和ICI的干擾,系統循環前綴一般取最大值1/4,即64個采樣間隔的時間（V=64）。而該系統前導碼中的第1個特殊OFDM符號在時域剛好為4個64重復的樣值序列,其時域結構圖如圖3所示。

圖3 前導碼中第1個OFDM符號的時域結構圖

應用此前導OFDM符號在時域特殊的樣值結構便可很方便構得該系統下CP不足時無干擾信道估計的前導碼形式,即只需發送2個連續該特殊的OFDM符號作為系統導頻估計的前導碼,在接收端便可完全消除干擾。

2.2 信道估計

該文應用的信道估計算法為常用的LS算法和LMMSE算法。

2.2.1 LS算法

若假設H為信道的頻域響應向量,X和Y分別為發送和接收信號向量的頻域表示,n為高斯白噪聲,則有Y=XH+n。則:

2.2.2 LMMSE算法

3 仿真結果

參照IEEE802.16d標準,仿真所用的OFDM系統采用256個子載波（N=256）,其中55個空閑子載波,1個直流子載波,200個數據子載波。采用16QAM調制,系統帶寬BW=20MHz,循環前綴CP取最大值1/4。多徑信道為SUI4信道,其最大多經時延為4μs,取仿真幀長為0.5ms,每幀中的開頭為一個符合上文要求的前導估計頭,后續的OFDM符號傳輸數據。

圖4為LS算法的均方差比較圖,由于此時OFDM符號的1/4循環前綴時間小于SUI4的最大多徑時延,系統存在ISI和ICI的干擾,誤差很嚴重。從圖中能清晰地看出采用該文的前導碼形式后能很好地降低均方誤差,估計的信道信息更接近真實信道。圖5為分別采用上文所述的2種信道估計算法系統性能比較圖,從圖中可以看出當系統存在干擾時,不管是采用LS還是LMMSE,性能都很不理想,無法滿足系統的性能要求。但當應用該文的方法消除干擾后兩者的性能都大大改善,LMMS算法由于不易受噪聲的影響性能更優越。

圖4 20MHz帶寬SUI4下估計均方差比較

圖5 20MHz帶寬 SUI4下算法的性能比較

4 結束語

給出了固定Wimax接入系統中在高速非視距環境下一種消除干擾的簡易信道估計方法,仿真結果表明采用該方法后可以在保證高傳輸速率的前提下仍能準確地估計信道信息,并且這種方法充分利用了Wimax無線幀的資源,沒有增加系統資源開銷,因此有很大的現實參考價值。

[1]IEEE802.16-2004,Part16:AirInterferenceforFixed Broadband Wireless Access Systems[S].

[2]WU M,LIN W B.Lin Channel Estimation for Non-Line-of-SightWiMax Communication System[C]//Vehicular Technology Conference,2006 VTC 2006-Spring IEEE:129-133.

[3]蔣琦,劉洋,王家恒.基于導頻的OFD M信道估計算法的比較與分析[J].電子工程師,2005,31（8）:32-35.

[4]彭木根,王文博.下一代寬帶無線通信系統OFDM&WIMAX[M].北京:機械工業出版社,2007.

[5]孔令坤.基于IEEE802.16標準的OFDM系統估計性能分析[J].北京電子科技學院報,2006,14（2）:46-50.

[6]HAYASHI K,SAKAI H.A simple interference elimination scheme for single carrier block transmission with insufficient cyclic prefix[C]//proceedings of WP MC,2004,2:577-581.

[7]閆勝虎.基于DET的OFD M信道估計算法及分析[J].無線電工程,2009,40（1）:16-18.

[8]王晗.MIMO-OFDM時域信道估計中的最優導頻設計算法研究[J].系統仿真學報,2009（1）:514-517,533.

[9]李凌宇.MIMO-OFDM系統中空載波對信系統性能的影響[J].信號處理,2009（2）:174-179.

[10]肖蕾蕾.MIMO-OFDM一種有效的盲信道估計算法[J].移動通信,2009（1）:50-52.