DFT-S-GMC系統(tǒng)中均勻?qū)ьl信道估計(jì)方法性能分析

謝 濤,楊 雷,王 丹

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471009;2.河南科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,河南洛陽 471003)

DFT-S-GMC系統(tǒng)中均勻?qū)ьl信道估計(jì)方法性能分析

謝 濤1,楊 雷2,王 丹2

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471009;2.河南科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,河南洛陽 471003)

針對(duì)我國(guó)提出的離散傅里葉(DFT)擴(kuò)頻廣義多載波(DFT-S-GMC)系統(tǒng),給出了使用均勻分布導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法。該方法首先采用最小二乘算法估計(jì)導(dǎo)頻音的信道頻響,然后內(nèi)插或外推非導(dǎo)頻音的信道頻響,再利用信道頻響DFT過采樣特性,數(shù)據(jù)塊特定用戶數(shù)據(jù)子帶信道頻響可由與之對(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻塊內(nèi)子載波處信道頻響線性內(nèi)插獲得,并在時(shí)間維上線性內(nèi)插出數(shù)據(jù)子帶處的信道頻響。最后,通過仿真比較分析了高低階插值、內(nèi)插外推方法以及導(dǎo)頻密度對(duì)信道估計(jì)方法性能的影響。

DFT擴(kuò)頻廣義多載波系統(tǒng);信道估計(jì);最小二乘;內(nèi)插;外推

1 引 言

目前,3GPP LTE(或B3G)正建立一個(gè)能獲得高傳輸速率、低等待時(shí)間、基于包優(yōu)化可演進(jìn)的無線接入架構(gòu)。針對(duì)LTE物理層的上行傳輸要求,我國(guó)提出了一種基于離散傅立葉變換(DFT)擴(kuò)頻廣義多載波(DFT-S-GMC)系統(tǒng)上行傳輸方案[1-3],該方案具有低峰均比、對(duì)時(shí)頻同步誤差及多址干擾魯棒的優(yōu)勢(shì),可滿足上行傳輸?shù)幕疽蟆?/p>

由于無線信道的陰影衰落和頻率選擇性衰落對(duì)實(shí)際通信系統(tǒng)的影響比較嚴(yán)重,所以信道估計(jì)的好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。目前,無線通信系統(tǒng)信道估計(jì)方法的研究已有很多[4-9]。然而,數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻采用的調(diào)制方式不同,這就對(duì)無線DFT-S-GMC系統(tǒng)的信道估計(jì)技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)。因此,在DFT-S-GMC系統(tǒng)框架下對(duì)信道估計(jì)方法進(jìn)行研究是一項(xiàng)非常迫切且有意義的工作。目前,DFT-S-GMC系統(tǒng)信道估計(jì)方法的研究仍十分有限[6]。文獻(xiàn)[6]僅對(duì)傳統(tǒng)均勻?qū)ьl分配方案和與數(shù)據(jù)子帶映射的導(dǎo)頻方案作了簡(jiǎn)單比較,均勻?qū)ьl分配方案下導(dǎo)頻密度、內(nèi)插外推以及導(dǎo)頻序列選擇等問題仍尚未提及。

本文給出了適用于DFT-S-GMC系統(tǒng)模型均勻?qū)ьl映射方案信道估計(jì)方法流程,并利用大量仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)內(nèi)插外推方法、高低階插值及導(dǎo)頻密度對(duì)DFT-S-GMC系統(tǒng)導(dǎo)頻塊和數(shù)據(jù)塊信道估計(jì)性能的影響進(jìn)行分析比較。

2 系統(tǒng)模型

DFT-S-GMC是一種基于DFT擴(kuò)展和濾波器組的傳輸技術(shù),它可以實(shí)現(xiàn)時(shí)頻域的雙正交,在DFT-S-GMC上行傳輸方案中,數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻采用了不同的調(diào)制方式:數(shù)據(jù)采用DFT-S-GMC調(diào)制方式,而導(dǎo)頻采用傳統(tǒng)的OFDM的調(diào)制方式,導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)之間則采用時(shí)分復(fù)用(TDM)方式傳送,以實(shí)現(xiàn)用戶間的頻分復(fù)用,其帶有信道估計(jì)的系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 使用信道估計(jì)器的DFT-S-GMC系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of DFT-S-GMC systems with channel estimation

圖2 導(dǎo)頻分配和與數(shù)據(jù)子帶的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Pilot allocation and the relationship between pilot subcarriers and data subbands

均勻映射導(dǎo)頻分布方案導(dǎo)頻子載波和DFT-S-GMC系統(tǒng)數(shù)據(jù)子帶對(duì)應(yīng)的關(guān)系如圖2所示。圖2中,特定用戶u的個(gè)導(dǎo)頻按照均勻映射方式映射到正交頻分復(fù)用符號(hào)的相應(yīng)位置上,其他子載波或子帶為零,用于其他用戶的頻分復(fù)用,形成相應(yīng)的導(dǎo)頻映射序列為

根據(jù)奈奎斯特時(shí)頻采樣定理,導(dǎo)頻的插入應(yīng)該滿足下述關(guān)系式:

式中,Bp為子載波帶寬,Bc是信道的相干帶寬。若式(3)不成立,則信道估計(jì)無法跟蹤信道頻率響應(yīng)在頻域維上發(fā)生的變化。然后,對(duì)映射后的導(dǎo)頻序列式(1)進(jìn)行逆傅里葉變換,插入循環(huán)前綴后形成短導(dǎo)頻塊,以完成導(dǎo)頻子帶調(diào)制。將形成的數(shù)據(jù)塊和導(dǎo)頻塊按照IEEE 802.16e子幀參數(shù)[1]組成一個(gè)完整的DFT-S-GMC子幀并通過發(fā)射天線發(fā)射出去。

接收端首先按照IEEE 802.16e子幀結(jié)構(gòu)對(duì)經(jīng)過時(shí)變頻選衰落信道的DFT-S-GMC子幀信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)頻塊的提取,去除循環(huán)前綴,根據(jù)特定用戶導(dǎo)頻子載波位置提取導(dǎo)頻子載波位置的接收符號(hào),則第 l個(gè)符號(hào)第pΔ個(gè)子載波處的接收導(dǎo)頻符號(hào)可表示為

式中,H[l,pΔ]表示第 l個(gè)符號(hào)塊傳輸期間在第pΔ個(gè)子載處的信道頻率響應(yīng),W[l,pΔ]為加性高斯白噪聲。由于在一個(gè)LTE子幀內(nèi),第2個(gè)短塊和第7個(gè)短塊是導(dǎo)頻傳輸塊,所以 l=2和7。然后,根據(jù)式(4),聯(lián)合接收機(jī)已知的發(fā)端導(dǎo)頻序列,可對(duì)導(dǎo)頻塊內(nèi)特定用戶子載波處的信道頻響進(jìn)行估計(jì),進(jìn)而恢復(fù)數(shù)據(jù)塊內(nèi)特定用戶子帶處的信道頻響估計(jì),用以計(jì)算接下來的信道均衡器系數(shù)。

3 信道估計(jì)方法

本節(jié)將研究均勻?qū)ьl映射方案下DFT-SGMC系統(tǒng)特定用戶數(shù)據(jù)子帶處的信道頻響的獲得方法,估計(jì)流程如圖1的信道估計(jì)模塊所示,其算法流程步驟如下。

Step 1 對(duì)導(dǎo)頻塊內(nèi)導(dǎo)頻音進(jìn)行頻域最小二乘信道估計(jì)為

式中,導(dǎo)頻塊索引為 l=2和7。

Step 2 通過內(nèi)插或外推獲得導(dǎo)頻塊內(nèi)非導(dǎo)頻音信道估計(jì)。在圖2數(shù)據(jù)子帶和導(dǎo)頻子載波對(duì)應(yīng)關(guān)系中,實(shí)線箭頭代表導(dǎo)頻音,虛線箭頭代表對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)子帶位置的非導(dǎo)頻音。由于導(dǎo)頻的放置有一定的間隔(為Δ),所以導(dǎo)頻塊內(nèi)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)子帶非導(dǎo)頻音處的信道頻響需要由導(dǎo)頻音處的信道頻響內(nèi)插或外推估計(jì)得到。內(nèi)插與外推的區(qū)別在于:內(nèi)插是獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)之間新數(shù)據(jù)點(diǎn)值的方法,而外推是構(gòu)造數(shù)據(jù)點(diǎn)之外新數(shù)據(jù)點(diǎn)的過程。所以對(duì)頻率邊緣處的信道頻響進(jìn)行外推,可以得到完整的信道頻響。下面結(jié)合DFT-S-GMC系統(tǒng)工作原理,分別考慮兩種內(nèi)插或外推的方法[8-9]。

(1)線性內(nèi)插與外推方法

第l個(gè)符號(hào)期間非導(dǎo)頻音子載波 pΔ+δ處的信道估計(jì)可由下式線性內(nèi)插得到:

頻譜邊緣子載波處信道頻響可由下式線性外推獲得:

(2)spline內(nèi)插與外推方法

spline內(nèi)插避免了用高階多項(xiàng)式對(duì)等距點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插時(shí)產(chǎn)生的龍格現(xiàn)象(類似于傅里葉級(jí)數(shù)中的吉布斯現(xiàn)象),因此,這里考慮了spline內(nèi)插和外推的方法恢復(fù)非導(dǎo)頻音處的信道頻響,其可由Matlab工具中interp1函數(shù)來實(shí)現(xiàn),以得到整個(gè)導(dǎo)頻塊內(nèi)信道頻率的全響應(yīng)為

Step 3 計(jì)算導(dǎo)頻塊內(nèi)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)子帶位置子載波處信道頻響估計(jì)。由于16e子幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度是導(dǎo)頻塊長(zhǎng)度的2倍,所以數(shù)據(jù)塊內(nèi)信道頻響長(zhǎng)度為導(dǎo)頻塊內(nèi)信道頻響長(zhǎng)度的2倍[6]。為便于理解,我們利用圖3給出了特定理想信道實(shí)現(xiàn)下256點(diǎn)導(dǎo)頻塊DFT信道頻響和512點(diǎn)數(shù)據(jù)塊DFT信道頻響之間的過采樣特性。由于信道頻響存在DFT過采樣特性,所以類似于文獻(xiàn)[6],在短導(dǎo)頻塊內(nèi)對(duì)相應(yīng)子載波位置信道頻響做線性內(nèi)插即可得到短導(dǎo)頻塊內(nèi)和數(shù)據(jù)特定子帶等帶寬的信道頻響 HlLS。

圖3 信道頻響DFT過采樣特性Fig.3 DFT oversampling characteristics of channel frequency response

Step 4 在時(shí)間維對(duì)數(shù)據(jù)塊內(nèi)特定用戶數(shù)據(jù)子帶信道頻響進(jìn)行線性內(nèi)插為

式中,l=1,2,…,4。另外,第1個(gè)和第8個(gè)數(shù)據(jù)塊的信道頻響可直接由各自相鄰導(dǎo)頻塊信道頻響做如下外推為

4 仿真結(jié)果分析

考慮一個(gè)單發(fā)單收單用戶DFT-S-GMC上行傳輸系統(tǒng),其仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所述。以下實(shí)驗(yàn)是獨(dú)立進(jìn)行10次的Monte Carlo仿真的平均結(jié)果,其中信道估計(jì)性能分別由導(dǎo)頻塊信道頻率全響應(yīng)估計(jì)的均方誤差(MSE)和數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)子帶信道頻響估計(jì)MSE來衡量。

表1 仿真參數(shù)Table 1 The simulation parameters

4.1 高低階內(nèi)插與外推方法的比較

圖4比較了不同信道下導(dǎo)頻塊線性內(nèi)插、spline內(nèi)插、線性外推和spline外推方法的MSE性能,其中導(dǎo)頻個(gè)數(shù)為64,導(dǎo)頻間隔為4,此時(shí)的導(dǎo)頻分配方案適用于8個(gè)數(shù)據(jù)子帶的用戶,導(dǎo)頻是CAZAC序列。結(jié)果表明:由于外推比內(nèi)插預(yù)測(cè)出了頻率邊緣處的信道頻響,所以外推比內(nèi)插方法估計(jì)性能更優(yōu)。又由于 PB信道比 VA信道頻選更加嚴(yán)重,所以在VA60信道下,外推比內(nèi)插帶來了更大的性能增益。另外,在不同信道下的高信噪比端,高階外推均好于低階外推的估計(jì)性能,在PB3信道下,高階內(nèi)插優(yōu)于低階內(nèi)插的信道估計(jì)性能,但在VA60信道下,高低階內(nèi)插性能幾乎一致。這是由于在高信噪比端,對(duì)于PB3信道而言,和背景噪聲相比,內(nèi)插誤差占主導(dǎo),而對(duì)于VA60信道,背景噪聲則占主要地位。

圖4 導(dǎo)頻塊不同內(nèi)插與外推方法MSE性能Fig.4MSE performance of different interpolation and extrapolation methods in pilot blocks

圖5和圖6分別給出了集中式數(shù)據(jù)子帶和分布式數(shù)據(jù)子帶映射模式下內(nèi)插與外推MSE性能的比較結(jié)果。由圖可知,在不同信道下,高階內(nèi)插或外推比低階內(nèi)插或外推估計(jì)性能更優(yōu),尤其在PB3信道下,性能改善更為顯著。和導(dǎo)頻塊MSE性能不同,此時(shí)外推方法和內(nèi)插方法相比優(yōu)勢(shì)并不明顯。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)塊MSE僅衡量特定用戶數(shù)據(jù)子帶處信道頻響估計(jì)性能,和數(shù)據(jù)子帶的位置有關(guān),而導(dǎo)頻塊的MSE值評(píng)價(jià)的是信道全響應(yīng)的估計(jì)性能,與數(shù)據(jù)子帶位置無關(guān)。所以若特定用戶不占用頻率邊緣的頻帶,則外推方法對(duì)內(nèi)插方法的性能改善將不明顯。

圖5 集中式數(shù)據(jù)塊不同內(nèi)插與外推方法MSE性能Fig.5 MSE performance of different interpolation and extrapolation methods in localized data blocks

圖6 分布式數(shù)據(jù)塊不同內(nèi)插與外推方法MSE性能Fig.6 MSE performance of different interpolation and extrapolation methods in distributed data blocks

4.2 不同導(dǎo)頻密度下信道估計(jì)性能比較

圖7～9分別比較了導(dǎo)頻塊、集中式或分布式數(shù)據(jù)塊在導(dǎo)頻密度為128/2、64/4和32/8時(shí)MSE性能,其非導(dǎo)頻音外推方法是“spline”?？梢钥闯?在PB 3 km/h信道和VA 60 km/h信道下,隨著導(dǎo)頻密度的減少,導(dǎo)頻塊和數(shù)據(jù)塊的MSE性能都逐漸變差,也即對(duì)于大帶寬用戶基于均勻映射導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法性能優(yōu)良,但當(dāng)用戶帶寬比較小時(shí),信道估計(jì)性能不理想。

圖7 不同導(dǎo)頻密度的導(dǎo)頻塊MSE性能Fig.7 MSE performance of different pilot densities in pilot blocks

圖8 集中式數(shù)據(jù)塊不同導(dǎo)頻密度的MSE性能Fig.8 MSE performance under different pilot densities in localized data blocks

圖9 分布式數(shù)據(jù)塊不同導(dǎo)頻密度下MSE性能Fig.9 MSE performance under different pilot densities in distributed data blocks

5 結(jié) 論

本文在DFT-S-GMC系統(tǒng)框架下研究了使用均勻?qū)ьl的信道估計(jì)方法,給出了算法流程,仿真分析了內(nèi)插或外推、導(dǎo)頻密度及數(shù)據(jù)子帶映射方式對(duì)信道估計(jì)性能的影響,并比較了導(dǎo)頻塊和數(shù)據(jù)塊信道估計(jì)的MSE性能。分析得知,使用高階外推的信道估計(jì)方法性能最好,大帶寬用戶的信道估計(jì)性能明顯優(yōu)于小帶寬用戶;導(dǎo)頻塊的信道估計(jì)MSE性能和數(shù)據(jù)塊信道估計(jì)MSE不同,這是由于數(shù)據(jù)塊的MSE考慮了DFT-S-GMC系統(tǒng)數(shù)據(jù)子帶映射方式,所以使用數(shù)據(jù)塊的MSE值對(duì)DFT-S-GMC系統(tǒng)信道估計(jì)性能進(jìn)行分析是比較合理的。本文的研究工作將為DFT-S-GMC系統(tǒng)新信道估計(jì)方法的獲得提供理論依據(jù)。

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XIE Tao was born in Luoyang,Henan Province,in 1977.He received the M.S.degree from Beihang University in 2011.He is now an engineer.His research concerns signal analysis and processing and computer testing technology.

楊 雷(1979—),男,河南洛陽人,2006年于河南科技大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為講師,主要研究方向?yàn)樾盘?hào)分析與處理、智能傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù);

YANG Lei was born in Luoyang,Henan Province,in 1979.He received the M.S.degree from Henan University of Science and Technology in 2006.He is now a lecturer.His research concerns signal analysis and processing,intelligent sensor technology and computer testing technology.

王 丹(1979—),女,遼寧大石橋人,2009年于上海交通大學(xué)獲博士學(xué)位,現(xiàn)為副教授、碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理、計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)和多學(xué)科協(xié)同仿真與建模。

WANG Dan was born in Dashiqiao,Liaoning Province,in 1979.She received the Ph.D.degree from Shanghai Jiaotong University in 2009.She is now an associate professor and also the instructor of graduate students.Her research concerns signal processing on communications,computer testing technology and multidisciplinary collaborative simulation and modeling.

Email:wangdaniel2004@163.com

The National Natural Science Foundation of China(No.61101167);The Aeronautical Science Foundation of China(No.20110142002);The Scientific Research Foundation for the Doctors of Henan University of Science and Technology(No.09001409);The Youth Science Foundation of Henan University of Science and Technology(2010QN0019);The Science and Technique Foundation of Henan Province(No.112102210431)

Performance Analysis of Channel Estimation Using Pilots Allocated Evenly for DFT-S-GMC Systems

XIE Tao1,YANG Lei2,WANGDan2
(1.China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China;2.Electronic Information Engineering College,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China)

For the DFT spreading generalized multi-carrier(DFT-S-GMC)system proposed by China,the channel estimation method using pilots allocated evenly is proposed.Firstly,the channel frequency responses(CFRs)at the pilot tones are estimated as a rule of least square,which are utilized to interpolate or extrapolate the CFRs at the other frequency tones.Then,by exploiting the DFT oversampling characteristics,the CFRs at the user-specified date subbands of the data block can be obtained by interpolating linearly the channel estimates at the subcarriers positions of the pilot block corresponding to the data subbands.Finally,the channel estimates at the specified data subbands can be interpolated linearly in the time dimension by the estimated CFRs above.The influence of high or low order interpolation and extrapolation,and the pilot density on channel estimation are analysed and compared by simulations.

DFT-S-GMC system;channel estimation;least square;interpolation;extrapolation

TN911.7

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.020

1001-893X(2012)06-0933-06

2011-12-21;

2012-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61101167);航空科學(xué)基金項(xiàng)目(20110142002);河南科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(09001409);河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2010QN0019);河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(112102210431)

謝 濤(1977—),男,河南洛陽人,2011年于北京航空航天大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)樾盘?hào)分析與處理以及計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù);