LTE-A中一種改進(jìn)的基于DFT的信道估計(jì)算法

王亞林，張?jiān)?，朱宇?/p>

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074；2.北京北方烽火科技有限公司，北京 100085）

無線通信技術(shù)

LTE-A中一種改進(jìn)的基于DFT的信道估計(jì)算法

王亞林1，2，張?jiān)?，朱宇霞1，2

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074；2.北京北方烽火科技有限公司，北京 100085）

結(jié)合實(shí)際LTE-A（增強(qiáng)型長期演進(jìn)）系統(tǒng)，研究了基于DFT（離散傅里葉變換）的信道估計(jì)算法，針對其存在的CIR（信道沖激響應(yīng)）能量泄露問題，提出了一種改進(jìn)的DFT算法，利用遞推數(shù)列重構(gòu)CIR，抑制噪聲并減小能量損失，并將處理后的CFR（信道頻域響應(yīng)）抖動(dòng)點(diǎn)用LS（最小二乘）結(jié)果進(jìn)行替換，進(jìn)一步抑制吉布斯現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)算法的性能優(yōu)于LS和傳統(tǒng)DFT算法。

增強(qiáng)型長期演進(jìn)；信道估計(jì)；離散傅里葉變換；能量泄露

0 引 言

LTE-A（增強(qiáng)型長期演進(jìn)）進(jìn)一步提高了頻譜效率和對高速場景的支持，沿用了OFDM（正交頻分復(fù)用）和MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)作為物理層核心技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)的性能很大程度上依賴于信道估計(jì)的精度，因此，信道估計(jì)在LTE-A系統(tǒng)中尤為重要。

常用的信道估計(jì)方法有LS（最小二乘）、DFT（離散傅里葉變換）以及MMSE（最小均方誤差）。LS算法簡單，但忽略了噪聲影響，性能較差；MMSE算法復(fù)雜度高，而且需要獲得信道的先驗(yàn)信息，但性能最好；DFT算法的復(fù)雜度和性能介于上述兩者之間，并且可通過FFT（快速傅里葉變換）快速實(shí)現(xiàn)，具有很好的實(shí)用價(jià)值，所以目前的LTE-A系統(tǒng)中仍以DFT算法為主。但由于實(shí)際系統(tǒng)中多徑時(shí)延通常都不是系統(tǒng)采樣間隔的整數(shù)倍以及虛載波的存在［1］，DFT算法在時(shí)域去噪時(shí)會存在能量泄漏問題，并且由于LTE-A系統(tǒng)中采用的是基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法，導(dǎo)頻個(gè)數(shù)越少，變到時(shí)域上相對的能量泄露就越大，這會導(dǎo)致高信噪比下的信道估計(jì)性能惡劣。本文提出一種改進(jìn)的DFT算法，仿真結(jié)果表明，該算法可有效地提高系統(tǒng)性能。

1 LTE-A系統(tǒng)基帶模型

假設(shè)LTE-A系統(tǒng)總子載波數(shù)為N，有效子載波數(shù)為Nr，則LTE-A系統(tǒng)模型可用下式表示：

式中，k為第k個(gè)子載波；H（k）為理想信道頻域響應(yīng)系數(shù)；X（k）為頻域發(fā)送端信號；Y（k）為接收到的頻域信號，W（k）為疊加在頻域信號上均值為0的高斯白噪聲。為了避免由于過采樣或發(fā)送/接收濾波對數(shù)據(jù)信號帶來的畸變［2］，系統(tǒng)一般都需要引入虛載波，虛載波不屬于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可用頻帶范圍，不能用于系統(tǒng)中的任何目的，因此在后續(xù)分析中，虛子載波位置上的H（k）用0代替。

信號在多徑衰落信道中傳播，CIR（信道沖擊響應(yīng)）可以表示為抽頭延遲線性模型［3］

式中，n為觀察時(shí)間（對采樣間隔Ts歸一化）；L為信道的多徑數(shù)；τl為第l條路徑的時(shí)延（對采樣間隔Ts歸一化）；hl為第l條路徑的復(fù)信道增益。假設(shè)CIR長度不超過CP（循環(huán)前綴），則該信道對應(yīng)第k個(gè)子載波的CFR（信道頻域響應(yīng)）H（k）為

2 信道估計(jì)算法

2.1導(dǎo)頻分布

LTE-A系統(tǒng)下行鏈路中存在多種導(dǎo)頻，分別為CRS（小區(qū)專屬參考信號）、DMRS（解調(diào)參考信號）和CSI-RS（信道狀態(tài)信息參考信號）。考慮到波束賦形情況下用戶采用DMRS進(jìn)行信道估計(jì)，并且DMRS數(shù)量隨用戶所占的時(shí)頻資源帶寬而變化［4-5］，相比其他導(dǎo)頻，基于DMRS的信道估計(jì)更具實(shí)用意義，因此本文以DMRS作為信道估計(jì)導(dǎo)頻進(jìn)行研究。圖1所示為常規(guī)CP時(shí)，用戶被分配一對PRB（物理資源塊），端口7上的DMRS在OFDM資源格中的分布情況。圖中，I表示OFDM符號編號。

圖1　DMRS分布情況

2.2導(dǎo)頻位置信道估計(jì)

LS算法的原理是使接收數(shù)據(jù)與無噪聲數(shù)據(jù)之差的平方最小。在式（1）的基礎(chǔ)上，針對DMRS，假設(shè)目標(biāo)OFDM符號上DMRS所占子載波位置為p，則可得于是，該DMRS位置的LS算法信道估計(jì)為可以看出，LS算法計(jì)算量小，但其忽略了噪聲的影響，在低信噪比下性能較差。為了減小噪聲對LS算法的影響，在LS算法的基礎(chǔ)上提出DFT信道估計(jì)算法。

對于DMRS而言，傳統(tǒng)DFT算法的處理流程如圖2所示。由于OFDM符號的長度遠(yuǎn)大于信道的最大時(shí)延，對LS的結(jié)果進(jìn)行IDFT（離散傅里葉逆變換）得到的CIR大部分能量都集中在相對少數(shù)幾個(gè)采樣點(diǎn)上［6］，且主要集中在首尾兩端，DFT時(shí)域去噪就是利用該特點(diǎn)。但在高信噪比下，噪聲的影響已經(jīng)不大，而去噪時(shí)損失的信道能量相對較大，這就使得算法性能明顯下降。

圖2　傳統(tǒng)DFT算法處理過程

2.3改進(jìn)的DFT算法

改進(jìn)算法是在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地抑制信道能量損失。通過仿真分析可以得出，越靠近CIR中間的信道，能量越小，由此可構(gòu)造遞推數(shù)列來重構(gòu)CIR，使其逼近理想信道的CIR，最后再對能量泄露造成的頻域抖動(dòng)點(diǎn)作替換處理，進(jìn)一步減小能量損失，從而獲得較為精確的信道估計(jì)。圖3所示為改進(jìn)DFT算法的流程圖。

圖3　改進(jìn)DFT算法的流程圖

首先對LS的結(jié)果HLS（p）進(jìn)行頻域線性插值，獲得用戶所占帶寬的全部子載波頻域響應(yīng)系數(shù)，再對進(jìn)行IDFT，得到時(shí)域。頻域插值可使時(shí)域CIR點(diǎn)數(shù)增加，利于后續(xù)的替換處理，具體在替換處理時(shí)說明。

對CIR分段重構(gòu)處理。假設(shè)用戶被分配的PRB對數(shù)為G，則用戶所占子載波數(shù)為Num= G*NRBsc，NRBsc表示一個(gè)PRB的頻域子載波寬度，可將劃分為4個(gè)區(qū)間，分別為［1，G］、［G+1，Num/2-1］、［Num/2，Num-G-1］和［Num-G，Num］，各個(gè)區(qū)間按以下步驟處理：

（3）對于第3段區(qū)間，按照下式進(jìn)行重構(gòu)：

（4）對于第4段區(qū)間，按照下式進(jìn)行重構(gòu)：

圖4　各種算法的CIR幅度

圖5　20dB下CFR能量譜

式中，α為替換系數(shù)，選取不同的α值會帶來不同的替換效果。α值越大，高信噪比下的性能就越接近LS算法性能，但低信噪比下的性能就越差；α值越小，高信噪比下性能越差，但低信噪比下性能會變好。從這里可以看出，如果CIR的點(diǎn)數(shù)太少，替換后的性能基本與LS算法一致，所以前文需要進(jìn)行頻域插值。為了取得折衷性能，通過大量的實(shí)驗(yàn)仿真，本文選取α=1.2。

3 仿真結(jié)果分析

仿真平臺按照LTE-A R11物理層協(xié)議進(jìn)行搭建，系統(tǒng)采用的仿真參數(shù)如下：系統(tǒng)帶寬為20MHz，IFFT變換點(diǎn)數(shù)為2 048，有效子載波數(shù)為1 200，用戶所占子載波數(shù)為120（即10個(gè)PRB帶寬），采用連續(xù)資源分配方式，導(dǎo)頻為DMRS，傳輸模式為TM8，雙流波束賦形傳輸方案，調(diào)制方式為QPSK（正交相移鍵控），載波頻率為2.3GHz，信道模型為EPA（擴(kuò)展步行者信道模型）信道，高斯白噪聲，移動(dòng)速度為5km/h。

圖6所示為幾種算法的誤比特率對比。從圖中可以得出，在信噪比較低時(shí)，傳統(tǒng)DFT算法和改進(jìn)的DFT算法性能相當(dāng)，均優(yōu)于LS算法；隨著信噪比增加，傳統(tǒng)DFT算法性能變差，逐漸不如LS算法，這是由于時(shí)域去噪的同時(shí)損失了一部分信道能量，在低信噪比時(shí)由于噪聲的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，去噪帶來的性能增益大于能量損失帶來的性能衰減，故而性能整體上是提升的。但隨著信噪比的升高，噪聲的影響逐漸減小，此時(shí)去噪帶來的性能增益逐漸小于能量損失帶來的性能衰減，故整體上性能會下降，甚至比LS算法更差。而改進(jìn)DFT算法由于在去噪的同時(shí)又抑制了信道能量的損失，所以即使隨著信噪比的增加，改進(jìn)算法的性能依然可以得到保障，而且復(fù)雜度不高，整體上優(yōu)于傳統(tǒng)DFT算法，可以用于實(shí)際的LTE-A系統(tǒng)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)束語

本文對LTE-A系統(tǒng)下行鏈路中的信道估計(jì)問題進(jìn)行了研究，考慮到實(shí)際LTE-A系統(tǒng)中路徑時(shí)延并非采樣間隔的整數(shù)倍，并且系統(tǒng)存在虛載波，使用傳統(tǒng)DFT時(shí)域去噪方法會產(chǎn)生CIR能量泄露，特別是當(dāng)DMRS導(dǎo)頻數(shù)量較少時(shí)泄露相對較大，此時(shí)直接置零去噪已經(jīng)不太適用。針對以上情況，本文提出了一種改進(jìn)的DFT信道估計(jì)方法，通過遞推重構(gòu)和替換處理，改進(jìn)算法可以有效地抑制噪聲并減小信道能量損失，在只增加少量復(fù)雜度的情況下，提高了信道估計(jì)和整個(gè)系統(tǒng)的性能，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

［1]Kwak K，Lee S，Kim K，et al.A New DFT-Based Channel Estimation Approach for OFDM with Virtual Subcarriers by Leakage Estimation［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7（6）：2004-2008.

［2]Santella G.A frequency requency and symbol synchronization system of OFDM signals：Architecture and simulation results［J］.Vehicular Technology IEEE Transactions on，2000，49（1）：254-275.

［3]王一蓉，周恩，王文博.一種基于DFT的低復(fù)雜度虛子載波OFDM信道估計(jì)算法［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2007，29（12）：2935-2936.

［4]3GPP TS 36.211v11.0.0-2012，Physical Channels and Modulation［S］.

［5]3GPP TS 36.212v11.0.0-2012，Multiplexing and channel coding［S］.

［6]郭銳.一種基于DFT的LTE下行信道估計(jì)算法［J］.北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，2011.（06）：21-23.

A Novel Channel Estimation Algorithm Based on DFT for LTE-A System

WANG Ya-lin1，2，ZHANG Yuan-yu2，ZHU Yu-xia1，2
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China；2.Beijing Northern FiberHome Technologies Co.，Ltd.，Beijing 100085，China）

This paper studies DFT based channel estimation algorithm for practical LTE-A system.In order to solve the energy leakage problem of Channel Impulse Response（CIR）based on DFT channel estimation algorithm，a novel DFT based channel estimation method is proposed.The proposed method reconstructs the CIR by recurrence sequence in order to suppress the noise and reserve the CIR energy.The proposed method also replaces the jitter points of Channel Frequency Response（CFR）with the result of Least Square（LS）algorithm in the corresponding position to further suppress Gibbs phenomenon.Simulation results show the performance of proposed method is better than those of LS and classic DFT based algorithms.

LTE-A；channel estimation；DFT；the energy leakage

TN929.5

A

1005-8788（2016）02-0059-04

10.13756/j.gtxyj.2016.02.019

2015-11-17

國家“八六三”計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014AA01A707）

王亞林（1990-），男，安徽蕪湖人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)長TE-A物理層算法。