MIMO-OFDM信道估計(jì)仿真實(shí)現(xiàn)

姜金富， 何海浪

（湖南省邵陽學(xué)院信息工程學(xué)院, 湖南 邵陽 422000）

0 引言

隨著近幾年來無線通信的迅猛發(fā)展，對下一代移動(dòng)通信（4G）的研究已經(jīng)開展得如火如荼。新一代移動(dòng)通信可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)高速率和大容量[1-3]。其中，OFDM可以有效地將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化成多個(gè)并行平坦衰落信道，從而大大提高傳輸效率。MIMO在原有傳輸帶寬和功率消耗的基礎(chǔ)上，在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間并行傳輸多路獨(dú)立數(shù)據(jù)，大大增加信道容量，成倍地提高頻譜利用效率。將OFDM和MIMO技術(shù)相結(jié)合，可以兼具OFDM抗多徑時(shí)延特性、抗頻率選擇性衰落、高頻譜利用率和MIMO有效提高系統(tǒng)容量，顯著提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和傳輸可靠性的優(yōu)點(diǎn)。分析仿真了基于導(dǎo)頻插入的SISO-OFDM LS信道估計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上研究了MIMO -OFDM LS信道估計(jì)方法仿真實(shí)現(xiàn)。

1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型

MIMO-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，假設(shè)系統(tǒng)有NT個(gè)發(fā)射天線，NR個(gè)接收天線。串行信息比特流被分解成NT個(gè)數(shù)據(jù)流后，進(jìn)行獨(dú)立的映射、編碼和OFDM調(diào)制，最后從NT個(gè)天線同時(shí)發(fā)送出去。若 OFDM系統(tǒng)的載波數(shù)為N，則共有N×NT個(gè)OFDM采樣同時(shí)發(fā)送，在第n個(gè)OFDM符號(hào)周期，數(shù)據(jù)比特流{b[ n, k]:k=0,1,…,K -1}進(jìn)入空時(shí)編碼器，分成兩路并行的數(shù)據(jù)流{ti[ n, k]:k=0,1,…,K-1,i=1,2}，然后分別進(jìn)入 IFFT調(diào)制、再分別由兩個(gè)天線同時(shí)發(fā)送出去。假定系統(tǒng)加了適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)間隔，且保持嚴(yán)格同步，則在第n個(gè)符號(hào)周期，接收天線 j上經(jīng)解調(diào)后的 OFDM基帶等效信號(hào)可以表達(dá)為[2]:

其中，Hij[n, k]是發(fā)射天線i與接收天線 j間第k個(gè)載波信道的頻率響應(yīng);wj[ n, k]為接收天線 j上第k個(gè)載波信道上的加性高斯白噪聲，其均值為0，方差為δn2。其頻率響應(yīng)[1]：

其中K0表示多徑數(shù)，

2 SISO-OFDM最小二乘（LS）算法

LS算法就是在不考慮噪聲的條件下，估計(jì)信道的沖激響應(yīng)向量h=[h0, h1,…,hN-1]T，使如下的定義的代價(jià)函數(shù)最小[3]：

其中，Y=[Y0, Y1,…,YN-1]T，X=diag(X0,X1,…,XN-1)，F(xiàn)為DFT矩陣，

其中,QLS=(FHXHXF)-1，把它代入式（3）可進(jìn)一步得到[3]：

3 MIMO-OFDM最小二乘（LS）算法

在MIMO-OFDM中，每幀第一個(gè)OFDM符號(hào)全發(fā)導(dǎo)頻，類似塊狀導(dǎo)頻形式。第i個(gè)發(fā)射天線上時(shí)刻n第k個(gè)子載波上的信道頻率響應(yīng)為[4-5]：

ω[n, k ]為信道高斯白噪聲。式（8）等價(jià)為：

對于兩發(fā)兩收MIMO系統(tǒng)，有：

其中：

4 仿真結(jié)果

現(xiàn)在分析在理想同步的情況下SISO-OFDM和MIMO- OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)仿真結(jié)果，通過前面的論述，在MATLAB7.0平臺(tái)下，建立基于導(dǎo)頻信號(hào)的廣義平穩(wěn)的多徑時(shí)變?nèi)鹄ヂ湫诺滥Ｐ?，系統(tǒng)參數(shù)為5 GHz載頻，20 MHz帶寬，50 ns采樣間隔。OFDM采用K=64個(gè)子載波, 循環(huán)前綴長度為16個(gè)樣點(diǎn)，仿真信道考慮室內(nèi)無線信道環(huán)境，其功率延遲譜服從負(fù)指數(shù)衰落，最大多徑時(shí)延為450 ns，采用QPSK調(diào)制，每條時(shí)域多徑均為采用瑞利衰落信道，且彼此獨(dú)立。

圖2為SISO-OFDM和MIMO-OFDM系統(tǒng)中LS估計(jì)算法BER性能比較曲線圖，其中橫坐標(biāo)是信噪比，單位為dB，縱坐標(biāo)是誤碼率。從仿真結(jié)果可以看出MIMO-OFDM系統(tǒng)中LS估計(jì)算法在誤碼率性能上要優(yōu)于SISO-OFDM系統(tǒng)10～20 dB。

5 結(jié)語

在研究 SISO-OFDM信道估計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對 MIMO多天線的系統(tǒng)特性，分析并仿真研究MIMO-OFDM中最小二乘信道估計(jì)算法。仿真結(jié)果表明在多徑Rayleigh信道條件下，MIMO-OFDM LS算法在誤碼率性能上優(yōu)于SISO-OFDM。

[1] YANG H W. A Road to Future Broadband Wireless Access: MIMOOFDM-based Air Interface[J].IEEE Communications Magazine,2005,43(01):53-60.

[2] YE Li, SESHADRI N, ARIYAVISITAKUL S. Channel Estimation for OFDM Systems with Transmitter Diversity in Mobile Wireless Channels[J]. IEEE Journal Select Areas Communication, 1999,17(01):461-471.

[3] YE Li. Simplified Channel Estimation for OFDM Systems with Multiple Transmit Antennas[J].IEEE Trans. On Wireless Communications,2002,1(01):67-75.

[4] SONG B, GUI L, ZHANG W. Comb Type Pilot Aided Channel Estimation in OFDM Systems with Transmit Diversity[J]. IEEE Trans.Broadcast,2006(02):50-57.

[5] SUH C, HWANG C S, CHOI H. Comparative Study of Time-domain and Frequency-domain Channel Estimation in MIMO-OFDM Systems[C].USA:IEEE,2003:1095-1099.

[6] SONG B, GUI L, ZHANG W. Comb Type Pilot Aided Channel Estimation in OFDM Systems with Transmit diversity[J].IEEE Trans.Broadcast.,2006(52):50-57.