適用于IEEE 802.11a/g的聯(lián)合信道估計和均衡算法

張朝龍等

摘 要： 基于IEEE 802.11a/g協(xié)議，提出了一種聯(lián)合信道估計和均衡的算法，該算法采用自適應(yīng)信道估計方式在低信噪比情況下實現(xiàn)精確的信道估計，并且具有較低的設(shè)計復(fù)雜度。信道均衡采用頻域內(nèi)MMSE（FD?MMSE）均衡方式，與自適應(yīng)信道估計配合在系統(tǒng)性能和計算復(fù)雜度方面取得較好折中。仿真表明該算法結(jié)構(gòu)性能滿足IEEE 802.11a/g協(xié)議規(guī)定，與同類算法相比在低信噪比區(qū)域提高系統(tǒng)性能的前提下算法的計算復(fù)雜度也有所降低。

關(guān)鍵詞： 正交頻分復(fù)用； 信道估計； 信道均衡； IEEE 802.11a/g

中圖分類號： TN925+.93?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0001?03

0 引 言

由于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)能有效地對抗無線通信信道中的頻率選擇性衰落，并且基于OFDM技術(shù)的通信系統(tǒng)接收機(jī)均衡可以采用頻域內(nèi)單抽頭均衡器的低復(fù)雜度等優(yōu)點，已被諸多通信標(biāo)準(zhǔn)采用[1?2]，第四代移動通信也將其作為核心技術(shù)。針對無線通信中的信道估計和均衡問題，目前已經(jīng)有不少算法發(fā)表[3]，但是很難在算法精度和復(fù)雜度方面取得較好折中，往往具有較高精度的算法具有較大的計算復(fù)雜度[4?5]，計算復(fù)雜度較低的算法其性能卻不太理想[6]。

通信系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，需要從整體著眼，并不是一個模塊性能做到最優(yōu)整個系統(tǒng)性能就會最優(yōu)。本文基于已有的信道估計和信道均衡算法[3]，針對IEEE 802.11a系統(tǒng)物理層幀的特殊結(jié)構(gòu)[1]，重新設(shè)計一種聯(lián)合信道估計和信道均衡算法。該算法聯(lián)合信道估計和信道均衡。在信道估計部分采用了一種自適應(yīng)的估計過程，取得了較好效果，尤其在低信噪比情況下取得較好的性能提升。在信道均衡部分采用一種稱為頻域內(nèi)最小均方誤差的均衡方法[7]（Frequency Domain MMSE，F(xiàn)D?MMSE）。相對于時域MMSE均衡算法，頻域的MMSE算法計算復(fù)雜度大大降低。該算法結(jié)構(gòu)充分利用了IEEE 802.11a系統(tǒng)物理層幀結(jié)構(gòu)，有效降低了系統(tǒng)的計算復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明雖然整個系統(tǒng)的PER?SNR性能和其他算法相比，系統(tǒng)性能有所提升，算法復(fù)雜度有很大程度降低。在系統(tǒng)性能和計算復(fù)雜度方面取得較好折中。

1 系統(tǒng)平臺

為了驗證本文提出的提出的算法設(shè)計，基于IEEE 802.11a/g協(xié)議，搭建了物理層基帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在仿真過程中，加性噪聲信道為AWGN信道，無線衰落信道采用ETSI給出的ETSI?b瑞利衰落信道[2]。其他的仿真參數(shù)，如表1所示。

2 信道估計和均衡算法描述

整個算法的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 算法結(jié)構(gòu)框圖

信道估計模塊塊由一個平滑濾波器和一個自適應(yīng)控制器組成。緊跟著FD?MMSE信道均衡?？欤饽K的估計信道有兩個來源：經(jīng)過平滑濾波器的估計信道[Hsk]或者不經(jīng)過平滑濾波器的信道[Hek]。[Hek]由IEEE 802.11a/g中物理層幀結(jié)構(gòu)中兩個長訓(xùn)練序列得到。[Hak]選用[Hsk]或[Hek]由信道估計模塊的自適應(yīng)控制器（在算法結(jié)構(gòu)框圖中表示為ACM（Adaptive Channel Manager））決定。

2.1 信道估計

IEEE 802.11a/g中物理層幀的前導(dǎo)碼由10個短訓(xùn)練序列和2個長訓(xùn)練序列構(gòu)成，在本算法中長訓(xùn)練序列用于信道估計，假設(shè)接收端收到的長訓(xùn)練序列為[YL（k）]，原始發(fā)送序列為[XL（k）]，則最簡單的信道估計方式LS得出的信道響應(yīng)為：

在本文中[He（k）=HLS（k）]，[Hek]經(jīng)過平滑低通濾波器濾除頻域噪聲。平滑濾波器的響應(yīng)為：

式中[Ws]和[Rs]由仿真確定。經(jīng)過平滑濾波的信道響應(yīng)為[Hs（k）]：

經(jīng)過平滑濾波，每一個子信道上頻域相應(yīng)時相鄰[2Ws+1]個子信道的加權(quán)和。由于噪聲為零均值的加性高斯白噪，加權(quán)平均會減弱噪聲功率。接下來分析平滑低通濾波器對系統(tǒng)性能的影響。假設(shè)理想的信道響應(yīng)為[H（k）]，頻域噪聲為[WL（k）]，由濾波器引入的噪聲為[εS（k）]，則經(jīng)過平滑濾波的信道響應(yīng)可以表示為：

分析式（4）最后等號右邊部分：在低信噪比情況下，[WL（k）XL（k）]占主要部分，[εL（k）]占次要部分。此時，信道估計使用[Hs（k）]較好，因為在引入濾波器干擾不大的情況下，降低了系統(tǒng)高斯白噪聲功率，提高了接收機(jī)接收到的信號信噪比。在高信噪比情況下，[WL（k）XL（k）]不再占主要作用，濾波器引入的噪聲[εL（k）]開始占主要作用，此時使用信道估計[Hs（k）]反而會使系統(tǒng)性能降低，相反使用LS估計得到的[He（k）]得到的效果要好于使用[Hs（k）]得到的效果。經(jīng)過上面分析，需要利用ACM模塊設(shè)置一個判決門限來控制信道估計輸出[Ha（k）]。當(dāng)判決函數(shù)大于門限值時，[Ha（k）]使用[Hs（k）]，當(dāng)判決門限小于門限值時，[Ha（k）]使用[He（k）]，即：

式中：[FLR]為判決函數(shù)，[Lo]為判決門限。[FLR]如式（6）所示，[Lo]需要在仿真中確定。

2.2 信道均衡

為配合前文提到的信道估計算法，本文用頻域內(nèi)最小均衡誤差信道均衡算法（Frequency Domain Minimum Mean Square Error，F(xiàn)D?MMSE）。

該算法充分利用IEEE 802.11a 物理層幀結(jié)構(gòu)和OFDM系統(tǒng)特性，在頻域內(nèi)進(jìn)行單抽頭均衡。在計算復(fù)雜度方面和LS沒有差別[8]。

下面給出FD?MMSE具體推導(dǎo)過程。假設(shè)[Y（k）]是接收端信號，[X（k）]是發(fā)送端信號，[C（k）]是補(bǔ)償因子，則目標(biāo)函數(shù)為：

對于IEEE 802.11a/g 物理層幀有兩個長訓(xùn)練序列，表示為[XL1（k）]和[XL2（k）]，則發(fā)送端收到的序列表示為[YL1（k）]和[YL2（k）]，于是[C（k）]可以表示為：

在對接收信號進(jìn)行均衡過程中，可以利用前面得出的信道估計結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化[C（k）]，優(yōu)化過程為：[C（k）=E[X（k）H（k）+W*（k）]X（k）E[X（k）H（k）+W（k）2]=E[X（k）2H*（k）]E[X（k）2·H（k）2]式（11）中的[σ2]為噪聲功率，噪聲功率的估計可以利用IEEE 802.11a/g 物理層幀的兩個長訓(xùn)練序列完成，即：

可見噪聲的估計非常簡單，只需IEEE 802.11a/g物理層幀的兩個長訓(xùn)練序列的均方差即可實現(xiàn)。

3 仿真及仿真結(jié)果分析

為了分析自適應(yīng)信道估計算法和FD?MMSE均衡算法的性能，在第二部分描述的系統(tǒng)平臺上進(jìn)行仿真實驗。采用IEEE 802.11a/g 中規(guī)定的10%PER（Packet Error Rate）標(biāo)準(zhǔn)來判定系統(tǒng)性能好壞。仿真過程中采用的信道為RMS（Root Mean Square）為150 ns的ETSI?B信道。自適應(yīng)信道估計中的平滑濾波器參數(shù)[Rs=0.1]，[Ws=2]，自適應(yīng)信道管理器（ACM）中判決門限[Lo=0.1]。針對IEEE 802.11a/g 支持的8種速率模式，進(jìn)行了仿真實驗。PER?SNR仿真結(jié)果PER?SNR曲線見圖3。

在6 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為4 dB，系統(tǒng)要求為9.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為5.4 dB，文獻(xiàn)[10]要求為4.9 dB。在12 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為6.7 dB，系統(tǒng)要求為12.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為7.0 dB，文獻(xiàn)[10]要求為8.6 dB。

4 結(jié) 論

本文綜合信道估計和信道均衡算法，提出一種在性能和計算復(fù)雜度方面有較好折中的算法結(jié)構(gòu)。本算法結(jié)構(gòu)充分利用IEEE 802.11a/g物理層幀中前導(dǎo)碼，在保證系統(tǒng)整體性能在低信噪比區(qū)域有提高，高信噪比區(qū)域變化不大的前提下，系統(tǒng)計算復(fù)雜度有了較大程度的降低。

參考文獻(xiàn)

[1] IEEE. Wireless LAN medium access control （MAC） and physical layer （PHY） specifications： high?speed physical layer in the 5 GHz band [S]. USA： IEEE Computer Society， 1999.

[2] ETSI. DTS/BRAN 030003?1 broadband radio access networks （BRAN）； HIPERLAN type 2 functional specifications. part 1? physical （PHY） layer [S]. [S.l.]： ETSI， 1999.

[3] OZDEMIR M K， ARSLAN H. Channel estimation for wireless OFDM systems [J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2007， 9（2）： 18?48.

[4] WU Kuo?guan， WU Jer?an. Efficient decision?directed channel estimation for OFDM systems with transmit diversity [J]. IEEE Communications Letters， 2011， 15（7）： 740?742.

[5] WAN Ping， MCGUIRE M， DONG Xiao?dai. Near?optimal channel estimation for OFDM in fast?fading channels [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2011， 60（8）： 3780?3791.

[6] ZHENG Zi?Wei. Channel estimation and channel equalization for the OFDM?based WLAN systems [C]// Proceedings of 2010 International Conference on E?Business and E?Government （ICEE）. Guangzhou， China： ICEE， 2010： 1691?1694.

[7] LIU H Y. Study on low?complexity OFDM?based wireless baseband transceiver [D]. National Chiao Tung University， Taiwan， China， 1995.

[8] HWANG T， YANG C， WU G， et al. OFDM and its wireless applications： a survey [J]. IEEE Transactions on Vehicular Tech， 2009， 58（4）： 1673?1694.

[9] THOMSON J， BAAS B， COOPER E M， et al. An integrated 802.11a baseband and MAC processor [C]. Proceedings of 2002 IEEE International Solid?State Circuits Conference. San Francisco， CA， USA： IEEE 2002： 126?415.

[10] FUJISAWA T. A single?chip 802.11a MAC/PHY with a 32?b RISC processor [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 2003， 38（11） 2001?2009.

對于IEEE 802.11a/g 物理層幀有兩個長訓(xùn)練序列，表示為[XL1（k）]和[XL2（k）]，則發(fā)送端收到的序列表示為[YL1（k）]和[YL2（k）]，于是[C（k）]可以表示為：

在對接收信號進(jìn)行均衡過程中，可以利用前面得出的信道估計結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化[C（k）]，優(yōu)化過程為：[C（k）=E[X（k）H（k）+W*（k）]X（k）E[X（k）H（k）+W（k）2]=E[X（k）2H*（k）]E[X（k）2·H（k）2]式（11）中的[σ2]為噪聲功率，噪聲功率的估計可以利用IEEE 802.11a/g 物理層幀的兩個長訓(xùn)練序列完成，即：

可見噪聲的估計非常簡單，只需IEEE 802.11a/g物理層幀的兩個長訓(xùn)練序列的均方差即可實現(xiàn)。

3 仿真及仿真結(jié)果分析

為了分析自適應(yīng)信道估計算法和FD?MMSE均衡算法的性能，在第二部分描述的系統(tǒng)平臺上進(jìn)行仿真實驗。采用IEEE 802.11a/g 中規(guī)定的10%PER（Packet Error Rate）標(biāo)準(zhǔn)來判定系統(tǒng)性能好壞。仿真過程中采用的信道為RMS（Root Mean Square）為150 ns的ETSI?B信道。自適應(yīng)信道估計中的平滑濾波器參數(shù)[Rs=0.1]，[Ws=2]，自適應(yīng)信道管理器（ACM）中判決門限[Lo=0.1]。針對IEEE 802.11a/g 支持的8種速率模式，進(jìn)行了仿真實驗。PER?SNR仿真結(jié)果PER?SNR曲線見圖3。

在6 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為4 dB，系統(tǒng)要求為9.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為5.4 dB，文獻(xiàn)[10]要求為4.9 dB。在12 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為6.7 dB，系統(tǒng)要求為12.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為7.0 dB，文獻(xiàn)[10]要求為8.6 dB。

4 結(jié) 論

本文綜合信道估計和信道均衡算法，提出一種在性能和計算復(fù)雜度方面有較好折中的算法結(jié)構(gòu)。本算法結(jié)構(gòu)充分利用IEEE 802.11a/g物理層幀中前導(dǎo)碼，在保證系統(tǒng)整體性能在低信噪比區(qū)域有提高，高信噪比區(qū)域變化不大的前提下，系統(tǒng)計算復(fù)雜度有了較大程度的降低。

參考文獻(xiàn)

[1] IEEE. Wireless LAN medium access control （MAC） and physical layer （PHY） specifications： high?speed physical layer in the 5 GHz band [S]. USA： IEEE Computer Society， 1999.

[2] ETSI. DTS/BRAN 030003?1 broadband radio access networks （BRAN）； HIPERLAN type 2 functional specifications. part 1? physical （PHY） layer [S]. [S.l.]： ETSI， 1999.

[3] OZDEMIR M K， ARSLAN H. Channel estimation for wireless OFDM systems [J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2007， 9（2）： 18?48.

[4] WU Kuo?guan， WU Jer?an. Efficient decision?directed channel estimation for OFDM systems with transmit diversity [J]. IEEE Communications Letters， 2011， 15（7）： 740?742.

[5] WAN Ping， MCGUIRE M， DONG Xiao?dai. Near?optimal channel estimation for OFDM in fast?fading channels [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2011， 60（8）： 3780?3791.

[6] ZHENG Zi?Wei. Channel estimation and channel equalization for the OFDM?based WLAN systems [C]// Proceedings of 2010 International Conference on E?Business and E?Government （ICEE）. Guangzhou， China： ICEE， 2010： 1691?1694.

[7] LIU H Y. Study on low?complexity OFDM?based wireless baseband transceiver [D]. National Chiao Tung University， Taiwan， China， 1995.

[8] HWANG T， YANG C， WU G， et al. OFDM and its wireless applications： a survey [J]. IEEE Transactions on Vehicular Tech， 2009， 58（4）： 1673?1694.

[9] THOMSON J， BAAS B， COOPER E M， et al. An integrated 802.11a baseband and MAC processor [C]. Proceedings of 2002 IEEE International Solid?State Circuits Conference. San Francisco， CA， USA： IEEE 2002： 126?415.

[10] FUJISAWA T. A single?chip 802.11a MAC/PHY with a 32?b RISC processor [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 2003， 38（11） 2001?2009.

對于IEEE 802.11a/g 物理層幀有兩個長訓(xùn)練序列，表示為[XL1（k）]和[XL2（k）]，則發(fā)送端收到的序列表示為[YL1（k）]和[YL2（k）]，于是[C（k）]可以表示為：

在對接收信號進(jìn)行均衡過程中，可以利用前面得出的信道估計結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化[C（k）]，優(yōu)化過程為：[C（k）=E[X（k）H（k）+W*（k）]X（k）E[X（k）H（k）+W（k）2]=E[X（k）2H*（k）]E[X（k）2·H（k）2]式（11）中的[σ2]為噪聲功率，噪聲功率的估計可以利用IEEE 802.11a/g 物理層幀的兩個長訓(xùn)練序列完成，即：

可見噪聲的估計非常簡單，只需IEEE 802.11a/g物理層幀的兩個長訓(xùn)練序列的均方差即可實現(xiàn)。

3 仿真及仿真結(jié)果分析

為了分析自適應(yīng)信道估計算法和FD?MMSE均衡算法的性能，在第二部分描述的系統(tǒng)平臺上進(jìn)行仿真實驗。采用IEEE 802.11a/g 中規(guī)定的10%PER（Packet Error Rate）標(biāo)準(zhǔn)來判定系統(tǒng)性能好壞。仿真過程中采用的信道為RMS（Root Mean Square）為150 ns的ETSI?B信道。自適應(yīng)信道估計中的平滑濾波器參數(shù)[Rs=0.1]，[Ws=2]，自適應(yīng)信道管理器（ACM）中判決門限[Lo=0.1]。針對IEEE 802.11a/g 支持的8種速率模式，進(jìn)行了仿真實驗。PER?SNR仿真結(jié)果PER?SNR曲線見圖3。

在6 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為4 dB，系統(tǒng)要求為9.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為5.4 dB，文獻(xiàn)[10]要求為4.9 dB。在12 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為6.7 dB，系統(tǒng)要求為12.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為7.0 dB，文獻(xiàn)[10]要求為8.6 dB。

4 結(jié) 論

本文綜合信道估計和信道均衡算法，提出一種在性能和計算復(fù)雜度方面有較好折中的算法結(jié)構(gòu)。本算法結(jié)構(gòu)充分利用IEEE 802.11a/g物理層幀中前導(dǎo)碼，在保證系統(tǒng)整體性能在低信噪比區(qū)域有提高，高信噪比區(qū)域變化不大的前提下，系統(tǒng)計算復(fù)雜度有了較大程度的降低。

參考文獻(xiàn)

[1] IEEE. Wireless LAN medium access control （MAC） and physical layer （PHY） specifications： high?speed physical layer in the 5 GHz band [S]. USA： IEEE Computer Society， 1999.

[2] ETSI. DTS/BRAN 030003?1 broadband radio access networks （BRAN）； HIPERLAN type 2 functional specifications. part 1? physical （PHY） layer [S]. [S.l.]： ETSI， 1999.

[3] OZDEMIR M K， ARSLAN H. Channel estimation for wireless OFDM systems [J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2007， 9（2）： 18?48.

[4] WU Kuo?guan， WU Jer?an. Efficient decision?directed channel estimation for OFDM systems with transmit diversity [J]. IEEE Communications Letters， 2011， 15（7）： 740?742.

[5] WAN Ping， MCGUIRE M， DONG Xiao?dai. Near?optimal channel estimation for OFDM in fast?fading channels [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2011， 60（8）： 3780?3791.

[6] ZHENG Zi?Wei. Channel estimation and channel equalization for the OFDM?based WLAN systems [C]// Proceedings of 2010 International Conference on E?Business and E?Government （ICEE）. Guangzhou， China： ICEE， 2010： 1691?1694.

[7] LIU H Y. Study on low?complexity OFDM?based wireless baseband transceiver [D]. National Chiao Tung University， Taiwan， China， 1995.

[8] HWANG T， YANG C， WU G， et al. OFDM and its wireless applications： a survey [J]. IEEE Transactions on Vehicular Tech， 2009， 58（4）： 1673?1694.

[9] THOMSON J， BAAS B， COOPER E M， et al. An integrated 802.11a baseband and MAC processor [C]. Proceedings of 2002 IEEE International Solid?State Circuits Conference. San Francisco， CA， USA： IEEE 2002： 126?415.

[10] FUJISAWA T. A single?chip 802.11a MAC/PHY with a 32?b RISC processor [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 2003， 38（11） 2001?2009.