OFDM信道估計研究及其帶模塊設計

付軍峰

摘要：未來無線移動通信需要高速率和高質量的數據傳輸能力。OFDM技術具有高速數據傳輸能力和較高的頻譜利用率成為下一代無線通信的關鍵技術，而信道估計又是決定OFDM通信質量的關鍵技術。正交頻分復用（OFDM）系統可等效為N個獨立的并行相互正交的子信道。預先估計N個子信道的頻率特性，同時用估計結果來抵消各個子信道衰落的影響，最后可以在接收端獲得正確的解調。它具有較高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，適用于高速率和多媒體數據傳輸，被廣泛應用于眾多領域，同時被認為是未來第四代移動通信的核心技術之一。OFDM系統的信道估計，就是從接受數據中將假定的各個信道模型的模型參數估計出來的過。

關鍵詞：OFDM定義；信道估計；應用

1 OFDM定義

OFDM技術由MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調制）發展而來。OFDM技術是多載波傳輸方案的實現方式之一，它的調制和解調是分別基于IFFT和FFT來實現的，是實現復雜度最低、應用最廣的一種多載波傳輸方案。在通信系統中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號所需的帶寬要寬得多。如果一個信道只傳送一路信號是非常浪費的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復用的方法。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調制技術，也可以被當成一種復用技術。

2 OFDM系統的信道估計算法

在無線通信系統中，多數情況下，信號傳播都要經歷的是多徑傳播。無線通信系統必然會帶來多普勒擴展，會引起信號在傳輸過程中的頻率偏移。前一個符號的時延擴展將會加載在它之后的另一個符號之上，從而引起了符號間干擾（ISI）。而頻率的偏移，會引起各個子載波之間的相互干擾，即載波間干擾（ICI）。在OFDM系統中，通過添加循環前綴（CP）的方法，基本可以達到消除符號間干擾（ISI）的對系統性能的影響。循環前綴是無法消除載波間干擾的。因此我們引入導頻符號，基于導頻符號的信道估計可以用來抑制由載波間干擾（ICI）所引起的系統性能的惡化。傳統的系統使用差分調制解調方法來處理信號，它不需要提前知道信道的特征信息。不過在使用這種信號處理方法以后，會給符號的比特數帶來一定的約束，影響了系統傳輸的信號速率，也會帶來一定的信噪比的損耗。而OFDM在無線傳輸系統中，采用多進制的調制方法來處理信號，在接收端恢復原始的發送信號，就需要進行相干解調。

2.1 OFDM信道估計技術概述

信道估計技術在應用中，需要選取合適的信道估計算法，這種算法要求既可以保證系統的傳輸質量，又可以在實際應用中便于實現。信道估計的算法是信道估計技術較為重要的環節。信道估計算法主要分為盲估計算法，非盲估計算法以及將兩種方法結合起來的半盲估計算法。盲估計算法不需要傳送訓練序列，只是利用傳輸信號中的內在數字信息來估計信道中的狀態信息。盲估計算法只是傳送全部的有用信息，不會有其它的系統帶寬的浪費。然而，這種算法在應用中需要大量的運算，復雜度較高，雖節省了帶寬，但實現起來不容易，在應用中受到很大的限制，不易于實現。非忙估計算法就是利用接收已知的信息對信道參數進行估計，算法復雜度與盲估計算法比較大大的減小了，更易于實現。但它的缺點也是很明顯的，由于插入了已知的導頻信息，浪費了寶貴的帶寬資源。然而在實際應用中，這種帶寬的浪費是值得的，所以非盲估計方法得到了更大的應用。常用的非盲估計算法包括最小平方（LS）算法[4]和最小均方誤差（MMSE）算法。

2.2 OFDM信道估計的作用

OFDM信號在衰落信道中傳輸時，其幅度會發生衰落，相位會發生偏移。在接受端需要有一個包含信道特性的參考信號，才能正確恢復出原來的發送信號。而解決參考信號問題的一種方法就是采用相干檢測。相干檢測首先需要對參考信號的幅度和相位進行估計，即信道估計，然后用估計得到的信道信息進行均衡，從而消除或減小信道對信號造成的失真。

3 OFDM的應用

下一代移動通信系統在性能方面主要有以下要求：用戶速率在準靜止（低速移動和固定）情況下達20Mbit/s，在高速移動情況下達2Mbit/s；量要達到第三代系統的5-10倍，傳輸質量相當于甚至優于第三代系統；條件相同時小區覆蓋范圍等于或大于第三代系統；具有不同速率間的自動切換能力，以保證通信質量；網絡的每比特成本要比第三代低。在功能方面主要有以下要求：支持下一代因特網和所有的信息設備、家用電器等；實現與固定網或專用網的無縫化連接；能通過中間件支持和開通多種多樣的IP業務；能提供用戶定義的個性化服務；按服務級別收費。與下一代移動通信系統有關的OFDM系統關鍵系統技術有：OFDM技術已經被廣泛應用于廣播式的音頻、視頻領域和民用通信系統，主要的應用包括：非對稱的數字用戶環路（ADSL）、ETSI標準的數字音頻廣播（DAB）、數字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網（WLAN）等。①時域和頻域同步：前面已經提及，OFDM系統對定時和頻率偏移敏感，特別是實際應用中可能與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結合使用時，時域和頻率同步顯得尤為重要。與其它數字通信系統一樣，同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。在下行鏈路中，基站向各個移動終端廣播式發同步信號，所以，下行鏈路同步相對簡單，較易實現。在上行鏈路中，來自不同移動終端的信號必須同步到達基站，才能保證子載波間的正交性。基站根據各移動終端發來的子載波攜帶信息進行時域和頻域同步信息的提取，再由基站發回移動終端，以便讓移動終端進行同步。具體實現時，同步將分為時域同步和頻域同步，也可以時頻域同時進行同步。②信道編碼和交織：為了提高數字通信系統性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發錯誤，可以采用交織。實際應用中，通常同時采用信道編碼和交織，進一步改善整個系統的性能。在OFDM系統中，如果信道衰落不是太深，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統性能的，因為OFDM系統自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已經被OFDM這種調制方式本身所利用了。但是，OFDM系統的結構卻為在子載波間進行編碼提供了機會，形成COFDM方式。編碼可以采用各種碼，如分組碼、卷積碼等，卷積碼的效果要比分組碼好。

4 結語

OFDM技術的應用已有近40年的歷史，主要用于軍用的無線高頻通信系統。進入90年代以來，OFDM技術的研究深入到無線調頻信道上的寬帶數據傳輸。由于OFDM的頻率利用率最高，又適用于FFT算法處理，近年來在多種系統得到成功的應用，在理論和技術上已經成熟。因此，3GPP/3GPP2成員多數推薦OFDM作為第四代移動通訊無線接入技術之一。目前，OFDM技術在4G LTE技術中已得到使用，是LTE三大關鍵技術之一，預計在5G仍然作為主要的調制方式。，系統性能的提高是以系統的復雜度為代價的。因此，在實踐中，應該根據實際系統的信道環境來選擇適當的方法，從而找到系統的性能和復雜度的平衡點。

參考文獻

[1]黃韜，袁超偉，楊睿哲，劉鳴. MIMO相關技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

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

（作者單位：廣州海格通信集團股份有限公司南京研究所）