MB-OFDM UWB系統(tǒng)中導(dǎo)頻圖樣的最優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 莉,曾以成,楊 丹,任 偉

(湘潭大學(xué)光電工程系,湖南湘潭411105)

MB-OFDM UWB系統(tǒng)中導(dǎo)頻圖樣的最優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 莉,曾以成,楊 丹,任 偉

(湘潭大學(xué)光電工程系,湖南湘潭411105)

在MB-OFDM UWB系統(tǒng)中,導(dǎo)頻圖樣對(duì)信道估計(jì)的影響較大,為了甄別這些影響,并尋找到較優(yōu)的導(dǎo)頻圖樣,根據(jù)信道的最大多徑時(shí)延和最大多普勒頻移以及取樣率平衡原理來確定導(dǎo)頻的時(shí)域和頻域間隔,并通過性能仿真對(duì)比,得到不同的導(dǎo)頻圖樣對(duì)信道估計(jì)算法和信道插值算法的影響。通過Matlab仿真實(shí)驗(yàn)表明,該方法較傳統(tǒng)的導(dǎo)頻圖樣設(shè)計(jì)方法更快速,具有更好的性能,可為不同信道估計(jì)方法中導(dǎo)頻圖樣的選擇提供依據(jù)。

超寬帶 正交頻分復(fù)用 導(dǎo)頻圖樣 信道估計(jì)

0 引 言

超寬帶(UWB,Ultra Wide Band)通信是一種短距離高速無線通信技術(shù)。采用多頻帶正交頻分復(fù)用(MB-OFDM,Multi-band Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù),可以在相繼的時(shí)間里于不同子頻帶內(nèi)傳輸給用戶數(shù)據(jù),可以避免特定頻帶上的非人為干擾,不需要射頻限波濾波器。在MBOFDM UWB系統(tǒng)中,由于無線信道常常是衰落信道,系統(tǒng)對(duì)頻偏比較敏感,所以一般使用相干檢測(cè),此時(shí),信道估計(jì)[1]是必須的,則需要不斷對(duì)信道進(jìn)行跟蹤,這主要依靠導(dǎo)頻,因此導(dǎo)頻信息的選擇會(huì)對(duì)信道估計(jì)性能有影響。

近年來,信道估計(jì)中的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)被廣泛研究。文獻(xiàn)[2]驗(yàn)證了二維導(dǎo)頻對(duì)信道估計(jì)的影響,這種方法在不給估計(jì)性能帶來很大損失的情況下,極大地降低了導(dǎo)頻符號(hào)的數(shù)量,它的缺點(diǎn)是在某些邊界點(diǎn)處有較大的誤差;文獻(xiàn)[3]中提出了一種窮舉法導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案,即對(duì)所有可能的導(dǎo)頻圖樣進(jìn)行仿真,從中找到最適合的導(dǎo)頻圖樣,但這種方法運(yùn)算量太大,仿真時(shí)間較長(zhǎng);文獻(xiàn)[4]中驗(yàn)證了時(shí)域塊狀導(dǎo)頻插入方式和斜對(duì)角導(dǎo)頻插入方式的優(yōu)越性,但這兩種插入方式更適合于光OFDM通信系統(tǒng)。為了解決上述問題,文中根據(jù)信道的最大多徑時(shí)延和最大多普勒頻移以及取樣率平衡原理來確定導(dǎo)頻的時(shí)域和頻域間隔,通過對(duì)基于不同導(dǎo)頻圖樣的信道估計(jì)算法和信道插值算法進(jìn)行仿真比較,為不同信道估計(jì)方法中導(dǎo)頻圖樣的選擇提供優(yōu)化方案。

1 MB-OFDM UWB信道估計(jì)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)模型

基于MB-OFDM超寬帶系統(tǒng)的發(fā)送和接收系統(tǒng)如圖1所示。

圖1給出了一個(gè)常用的基于OFDM的UWB信號(hào)基帶發(fā)送和接收的系統(tǒng)模型,在信道前插入了循環(huán)前綴(CP)來消除符號(hào)間干擾(ISI),得到信號(hào)xp(n),FFT為快速傅里葉變換。接收端的信號(hào)yp(n)可表示成:

式中,w(n)為加性高斯白噪聲,h(n)為信道的脈沖響應(yīng)。

圖1 MB-OFDM超寬帶系統(tǒng)的發(fā)送和接收框Fig.1 Sending and receiving block diagram of MB-OFDM UWB system

1.2 基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)

基于導(dǎo)頻信道估計(jì)也稱為非盲信道估計(jì),幾種典型的非盲信道估計(jì)算法有:基于LS準(zhǔn)則的信道估計(jì)算法、基于DFT的變換域信道估計(jì)算法和基于MMSE準(zhǔn)則的信道估計(jì)算法?；趯?dǎo)頻的信道插值算法主要有:線性插值、高斯插值、三次樣條插值以及hermite插值方法[5]等。文中仍采用LS準(zhǔn)則,基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法如下述。上面式(1)的頻域表達(dá)式為:

Xp=diag(Xp(0)Xp(1)…Xp(N-1))T為導(dǎo)頻子信道傳輸信號(hào)矩陣,Hp=(Hp(0)Hp(1)…Hp(N-1))T為導(dǎo)頻所在子信道的頻域脈沖響應(yīng),Yp= (Yp(0)Yp(1)…Yp(N-1))T為經(jīng)過信道傳輸后接收的導(dǎo)頻信號(hào)向量,Wp為噪聲序列的傅氏變換,由LS準(zhǔn)則得信道估計(jì)算法為:

使其最小化,需要求偏導(dǎo)數(shù),即

基于導(dǎo)頻的非盲信道估計(jì)的基本過程是:在發(fā)送端適當(dāng)位置插入導(dǎo)頻,接收端利用導(dǎo)頻恢復(fù)出導(dǎo)頻位置的信道信息,然后利用某種處理手段(如信道插值)獲得所有時(shí)段的信道信息。但是插值算法也會(huì)帶來新的噪聲,產(chǎn)生噪聲門限效應(yīng),插值算法帶來的噪聲主要取決于兩個(gè)方面:一是導(dǎo)頻插入的數(shù)量和方法,導(dǎo)頻數(shù)量越多,插值得到的信道估計(jì)越好,相應(yīng)的噪聲消除效果就越佳[6],但同時(shí)也降低了頻譜利用率。二是取決于插值方法的使用,通過對(duì)插值方法的改進(jìn)也可以優(yōu)化系統(tǒng)性能,文中對(duì)這兩個(gè)方面的因素都進(jìn)行了仿真討論,為選取更合適于信道估計(jì)和信道插值算法的導(dǎo)頻圖樣提供依據(jù)。

2 導(dǎo)頻圖樣設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)頻插入方式設(shè)計(jì)

MB-OFDM UWB系統(tǒng)常采用基于導(dǎo)頻序列的信道估計(jì),其中有兩種典型的一維導(dǎo)頻序列插入方式[7]一種是塊狀導(dǎo)頻(如圖2(a)所示),適用于慢衰落信道;另一種是梳狀導(dǎo)頻(如圖2(b)所示),適用于快衰落信道。文中進(jìn)行了基于這兩種導(dǎo)頻插入方式的系統(tǒng)仿真。

圖2 塊狀導(dǎo)頻分布和梳狀導(dǎo)頻分布Fig.2 Block and comb pilot frequency distribution

2.2 導(dǎo)頻間距設(shè)計(jì)

在OFDM系統(tǒng)中,進(jìn)行相干解調(diào)時(shí),一個(gè)關(guān)鍵的問題是導(dǎo)頻的選擇,包括導(dǎo)頻的結(jié)構(gòu)和數(shù)量等。在進(jìn)行導(dǎo)頻圖樣設(shè)計(jì)時(shí),如果導(dǎo)頻間隔[8-9]過大,就不能準(zhǔn)確的跟蹤信道的信息;如果導(dǎo)頻間隔過小,就會(huì)導(dǎo)致頻譜利用率不高,使系統(tǒng)效率受到影響。因此導(dǎo)頻圖樣的設(shè)計(jì)要在滿足一定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的前提下,盡量達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)。由文獻(xiàn)可知,時(shí)域內(nèi)的相關(guān)時(shí)間約等于最大多普勒頻移的倒數(shù),在頻域內(nèi)的相關(guān)帶寬約等于最大多徑時(shí)延的倒數(shù),在理想情況下,插入的導(dǎo)頻時(shí)域和頻域必須滿足以下條件,即導(dǎo)頻的時(shí)域間隔St要小于相關(guān)時(shí)間,導(dǎo)頻的頻域間隔Sf要小于相關(guān)帶寬,用公式表示為:

式中,fd為最大多普勒頻移,τmax為最大多徑時(shí)延。但在實(shí)際的MB-OFDM超寬帶系統(tǒng)中,根據(jù)上面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的導(dǎo)頻圖案還不能完全滿足系統(tǒng)的要求,如文獻(xiàn)[3]所示,為了達(dá)到更好的信道估計(jì)性能,這里應(yīng)采用過采樣技術(shù)。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理,抽樣頻率要大于信號(hào)帶寬的兩倍,才能無失真的恢復(fù)出原始信號(hào),即導(dǎo)頻的時(shí)域和頻域間隔也應(yīng)滿足這一關(guān)系,才能更好的還原信道的信息,即

式中,Nt、Nf分別表示導(dǎo)頻的時(shí)域和頻域間隔,Δf為系統(tǒng)子載波間隔,Ts為OFDM符號(hào)周期。對(duì)式(7)、式(8)向下取整,便可得導(dǎo)頻的時(shí)域和頻域間隔的可能值,即得到滿足系統(tǒng)的多種導(dǎo)頻圖案。為了確定最優(yōu)的導(dǎo)頻時(shí)域和頻域間隔,文中采用表1的MB-OFDM UWB系統(tǒng)仿真參數(shù)。由式(7)、式(8)可得式(9)、式(10)確定的時(shí)頻間隔,因此文中進(jìn)行了導(dǎo)頻數(shù)小于等于10的系統(tǒng)仿真。

表1 MB-OFDM UWB系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of MB-OFDM UWB system

對(duì)于信道傳輸函數(shù)比較好的抽樣應(yīng)該使時(shí)間軸的取樣率和頻率軸的取樣率平衡,既滿足下式

在安排導(dǎo)頻符號(hào)時(shí),還應(yīng)該盡量使一幀中的第一個(gè)OFDM符號(hào)和最后一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)包含有導(dǎo)頻符號(hào)[10-11],這樣就能保證每幀邊緣的估計(jì)值比較準(zhǔn)確。由式(9)、式(10)、式(11)即可確定滿足此MB-OFDM UWB系統(tǒng)的最佳導(dǎo)頻間距,即Nt取9且Nf取7。

3 仿真結(jié)果及性能分析

文中通過仿真不同導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)和不同導(dǎo)頻間距的系統(tǒng)信道估計(jì)性能,來驗(yàn)證上述導(dǎo)頻圖樣對(duì)信道估計(jì)的影響。采用圖1所示基帶系統(tǒng),FFT長(zhǎng)度為128,調(diào)制方式為QPSK,采用的信道模型為瑞利衰落模型。

3.1 導(dǎo)頻插入方式仿真

為了評(píng)估導(dǎo)頻插入方式對(duì)信道估計(jì)的影響,仿真了基于梳狀導(dǎo)頻和塊狀導(dǎo)頻的MB-OFDM UWB系統(tǒng)性能,圖3為基于梳狀導(dǎo)頻和塊狀導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法的BER比較。由圖3可知,在有信道估計(jì)的前提下,在慢衰落的信道模型中,基于塊狀導(dǎo)頻的信道估計(jì)的誤比特率要低于基于梳狀導(dǎo)頻的信道估計(jì)的誤比特率?；趬K狀導(dǎo)頻的信道估計(jì)是指在發(fā)送信號(hào)中每隔一定的時(shí)間插入導(dǎo)頻信號(hào),且導(dǎo)頻信號(hào)占據(jù)所有子載波,接收端通過對(duì)這些導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行處理,來得到信道的有效參數(shù)。文中采用的信道模型是慢衰落的,所以信道在兩個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)之間的時(shí)間內(nèi)可以近似看作是穩(wěn)定的,采用塊狀導(dǎo)頻可以對(duì)導(dǎo)頻所占據(jù)子載波周圍進(jìn)行全面搜索。因此在慢衰落模型中,基于塊狀導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法優(yōu)于基于梳狀導(dǎo)頻的同類的信道估計(jì)算法。為再次驗(yàn)證這一結(jié)論,文中仿真了三次樣條插值和三次hermite插值算法,如圖4所示,基于塊狀導(dǎo)頻的插值算法性能要優(yōu)于基于梳狀導(dǎo)頻的插值算法。

圖3 基于不同導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道估計(jì)算法BER比較Fig.3 BER comparison of channel estimation algorithm based on different pilot structures

圖4 基于不同導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)的信道插值算法BER比較Fig.4 BER comparison of channel interpolation algorithm based on different pilot structures

3.2 導(dǎo)頻間距最優(yōu)化

由式(9)、式(10)可得MB-OFDM UWB系統(tǒng)導(dǎo)頻信息的時(shí)域和頻域間隔上限,為了確定各種信道估計(jì)方法在此系統(tǒng)中的最佳導(dǎo)頻間隔也即由式(9)、式(10)、式(11)得出的結(jié)論,由于采用的是慢衰落信道,塊狀導(dǎo)頻在頻率軸上的間隔對(duì)系統(tǒng)影響不是很大,文中仿真了基于梳狀導(dǎo)頻的各種導(dǎo)頻間隔的系統(tǒng)性能,如圖5和圖6所示。

圖5 基于不同導(dǎo)頻間隔的信道估計(jì)算法BER比較Fig.5 BER comparison of channel estimation algorithm based on different pilot intervals

圖6 基于不同導(dǎo)頻間隔的信道插值算法BER比較Fig.6 BER comparison of channel interpolation algorithm based on different pilot intervals

由圖5可得,微小的導(dǎo)頻間隔變化對(duì)信道估計(jì)的性能幾乎沒有什么影響,導(dǎo)頻間隔的變化會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)頻數(shù)量的變化,而由于導(dǎo)頻間隔是微小變化的,所以導(dǎo)頻數(shù)量也是微小變化的,基于導(dǎo)頻信道估計(jì)算法的原理是通過對(duì)導(dǎo)頻處的信道響應(yīng)來對(duì)整個(gè)信道進(jìn)行粗估計(jì),所以得到的信道響應(yīng)是一個(gè)大致的估計(jì)值,故導(dǎo)頻的這種微小變化不會(huì)對(duì)這個(gè)大致的估計(jì)值產(chǎn)生很大的影響,此時(shí)再去研究最優(yōu)導(dǎo)頻間隔也沒多大意義。而由圖6可知借助了信道插值算法的信道估計(jì)會(huì)比沒有信道插值的信道估計(jì)效果要好,而且在此梳狀導(dǎo)頻系統(tǒng)中,當(dāng)導(dǎo)頻間隔為7時(shí),系統(tǒng)誤比特率最低,較其他導(dǎo)頻間隔的優(yōu)勢(shì)較大,也即為系統(tǒng)的最佳導(dǎo)頻間隔,驗(yàn)證了由式(9)、式(10)、式(11)所得的結(jié)論,且三次hermite插值的系統(tǒng)性能會(huì)在信噪比較高的時(shí)候略優(yōu)于三次樣條插值。這是因?yàn)槌?dǎo)頻外的數(shù)據(jù)子載波的信道響應(yīng)需要借助信道插值和濾波等方法來完成,故圖6所示的效果都要優(yōu)于圖5。雖然三次hermite插值會(huì)在一定程度上減少運(yùn)算量,但三次hermite插值搜索范圍相對(duì)三次樣條插值而言要窄,更容易感知細(xì)微變化,這也對(duì)導(dǎo)頻間隔的選擇提出了更高的要求。

4 結(jié) 語

針對(duì)超寬帶這一無線通信技術(shù)的需要,文中主要研究了MB-OFDM UWB系統(tǒng)的導(dǎo)頻圖樣的設(shè)計(jì),提出了一種快速確定最優(yōu)導(dǎo)頻間隔的方法,并且分別對(duì)導(dǎo)頻插入方式和導(dǎo)頻間隔的變化所引起的信道估計(jì)的影響進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明在慢衰落信道導(dǎo)頻插入方式上,基于塊狀導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法要更優(yōu)于基于梳狀導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法。對(duì)于導(dǎo)頻間隔的變化,各種信道估計(jì)方法的敏感程度不一,含插值算法的信道估計(jì)比不含插值算法的信道估計(jì)更敏感,而三次hermite插值由于其搜索半徑較小,從而較其他算法能夠更準(zhǔn)確的還原信道信息,也因?yàn)槿绱藢?duì)導(dǎo)頻間隔的變化敏感程度較其他算法而言會(huì)更大。文中采用的導(dǎo)頻方案彌補(bǔ)了邊緣誤差大的缺陷,同時(shí)也大大縮短了確定最優(yōu)導(dǎo)頻間隔的仿真時(shí)間。導(dǎo)頻圖樣的不同會(huì)對(duì)信道估計(jì)產(chǎn)生一定的影響,需要對(duì)各種圖樣進(jìn)行篩選,從中選擇最佳的導(dǎo)頻圖樣。將這些系統(tǒng)用硬件實(shí)現(xiàn)[12],用硬件仿真來驗(yàn)證這些結(jié)論,將是我們下一步的研究?jī)?nèi)容。

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CHEN Li(1988-),female,graduate student,majoring in ultra-wideband signal processing;

曾以成(1962—),男,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理、濾波器理論與設(shè)計(jì);

ZENG Yi-cheng(1962-),male,doctoral supervisor, mainly specialized in signal processing,filter theory and design;

楊 丹(1987—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闉V波器設(shè)計(jì);

YANG Dan(1987-),female,graduate student,majoring in filter design;

任 偉(1986—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闉V波器設(shè)計(jì)。

REN Wei(1986-),male,graduate student,majoring in filter design.

Optimal Design of Pilot Pattern in MB-OFDM UWB Systems

CHEN Li,ZENG Yi-cheng,YANG Dan,REN Wei
(Department of Photoelectric Engineering,Xiangtan University,Xiangtan Hunan 411105,China)

Pilot pattern has great influence on channel estimation in MB-OFDM UWB system.In order to test and verify the effect,as well as find the better pilot pattern,the time domain and frequency domain interval of pilots is determined from the biggest multi-path time delay,Doppler frequency shift and the principle of sampling rate balance.By contrast of performance simulation,the influence of different pilot patterns on the channel estimation algorithm and channel interpolation algorithm could be acquired.Simulation experiment with Matlab indicates that this method is much faster than traditional one in pilot pattern design,and thus is of much better performance.And this could provide references for choosing the pilot patterns in different channel estimation methods.

UWB;OFDM;pilot pattern;channel estimation

TN929.5

A

1002-0802(2014)02-0154-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.007

陳 莉(1988—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槌瑢拵盘?hào)處理;