基于二维DCT的TD－LTE系统信道估计方法

陈 琳，申 敏

（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）

基于二维DCT的TD－LTE系统信道估计方法

陈 琳，申 敏

（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）

在TD-LTE系统中，由于高速移动产生多普勒频偏，使传统的基于DFT插值信道估计算法性能损失严重。为了解决上述问题，提出一种利用TD-LTE系统导频模式的二维离散余弦变换（2D-DCT）信道估计算法，并给出了详细的推导。仿真结果表明，该方法的性能优于2D-DFT算法，可以很好地接近2D维纳滤波估计算法。

TD-LTE;2D-DFT;导频模式;2D-DCT

【本文献信息】陈琳，申敏.基于二维DCT的TD-LTE系统信道估计方法［J］.电视技术，2013，37（3）.

TD-LTE采用OFDM和MIMO作为其无线传输关键技术。在实际应用中，无线信道的时变性和频率选择性衰落都会严重影响系统的性能，对信道估计的准确性和实时性提出更高的要求。

在基于导频辅助的信道估计算法中，接收端首先根据已知导频估计出导频子载波（符号）的信道状态转移值，然后再利用变换、滤波、内插等处理方法获取所有数据子载波（符号）上的信道频率特性值，可以做到实时和快速估计。基于最小均方误差估计准则（Minimum Mean Squared Error，MMSE）的时频二维维纳滤波估计算法［1］，这种二维滤波器的性能最好，但是计算复杂，在实际系统中难以得到很好的应用。基于二维DFT的信道估计算法在其性能和实现复杂度之间取得较好的平衡［2］。当系统存在高多普勒频移时，2D-DCT信道估计［3］虽能改善性能，但仅限于矩形导频模式。由于TD-LTE的导频模式不仅能在典型频率选择性衰落信道环境下获得良好的估计性能，而且又能将导频数量控制在较低水平。因此，本文对TD-LTE系统的2D-DCT信道估计进行研究，以扩大2D-DCT的应用。

1 2D TD-LTE导频信号模型

TD-LTE系统的下行参考信号（导频）对应于不同应用场合，可以分为3种类型:MBSFN参考信号、小区专用的参考信号和终端专用的参考信号［4］。如图1所示为两天线小区专用参考信号的映射图。同一天线上的参考信号在同一时隙时域上间隔4个符号，频域上间隔6个子载波。为了避免天线间的干扰，不同天线参考信号映射应满足正交关系，且任何天线参考信号所在的资源单元不能分配其他任何天线的信息（如图1中阴影位置）。

图1 下行2个天线参考信号映射

式中:l是一个时隙中的OFDM符号序号;m=0，1，…，和vshift定义了不同导频在频域上的位置，即

假设在第n个OFDM符号中，XP=diag［XP（n，0），XP（n，1），…，XP（n，LF-1）］是发射端在第n个 OFDM 符号上导频子载波处的导频值，LF为频域上的导频数目。则接收到的导频信号为

式中:YP=［YP（n，0），YP（n，1），…，YP（n，LF-1）］T是第n个OFDM符号上接收到的导频信号;HP=［HP（n，0），HP（n，1），…，HP（n，LF-1）］T是导频子载波的信道频域响应;ZP=［ZP（n，0），ZP（n，1），…，ZP（n，LF-1）］T是加性高斯白噪声。

2 导频子载波的信道估计

导频位置常用的信道估计算法有最小平方误差（LS）、线性最小均方误差（LMMSE）。由LS算法得到的导频位置的信道估计值为

LMMSE信道估计算法的估计表达式为［5］

根据MMSE准则，LMMSE是最佳线性估计器，它可以使最小均方误差最小，但其计算复杂。综合考虑其复杂度和估计性能，在TD-LTE系统中导频位置的信道估计通常采用算法实现简单但精度稍差的LS算法。

3 一维DFT信道估计

基于DFT的信道估计算法的基本原理是:首先进行LS估计出频域信道响应;然后通过IDFT变换到时域，在时域内进行线性变化滤波;最后再经过DFT变换进入到频域，从而实现DFT信道估计。基于DFT的信道估计算法利用了OFDM系统中信道冲激响应（CIR）长度L通常情况下小于循环前缀长度Lg这一特性，在频域信道估计转化到时域时，将大于循环前缀Lg的CIR值强制置0，以此来达到消除噪声的目的。

式中:i表示第i个OFDM符号。由于CIR的长度小于OFDM循环前缀长度Lg，这样将n＞Lg-1时的估计值置0，其余值保持不变，得到去噪后的信道估计值为

最后，对已经去噪的信道估计作DFT变换得到信道的频域估计为

虽然基于DFT的信道估计算法易于实现且性能良好，但由于DFT隐含周期性，如果原始数据序列首尾两端不连续，对应的无限长周期序列的周期边缘会出现快速变化，直接进行DFT必然会产生额外的高阶分量，引起混叠现象。另外，基于DFT的信道估计算法只有通过提高样本空间的多径延迟时间来获得估计信道的准确性［6］。当多径时延为非整数倍采样间隔时，会出现信道脉冲响应泄漏的问题。因此，混叠误差和能量泄漏会严重地影响基于DFT的信道估计性能。

4 二维DCT信道估计

离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）是一种变换域数据处理算法，在图像处理中应用较为广泛。DCT比DFT能量更加集中，可以有效地抑制频谱能量泄漏问题，还可以很好地抑制首尾不连续的原始数据序列直接进行DFT产生的额外的高阶分量［7］。DCT是与DFT相关的一种变换，相当于大概2倍长度的DFT，且在简化变换运算方面，以实数为变换核的DCT运算比以复数为变换核的DFT运算更加方便。DCT的概念是将原来的M点序列通过镜像对称扩展为2M点的序列来处理，因此相比DFT可以使信号的波形更加平滑，而且还能解决连续周期边界点处的不连续问题，从而达到减少信号高频分量的目的，这对于插值来说非常重要。

本文利用二维DCT算法的可分离特点，提出了一种采用两个级联的一维DCT实现信道估计的算法。首先对包含导频信息的OFDM符号在频率方向进行插值，然后在时间方向对所有的子载波进行插值。由于滤波器是线性的，所以在实际运用中采用另一种顺序即先时域后频域插值也可以获得相同的性能。

4.1 频域DCT

首先对包含导频信息的OFDM符号在频率方向上进行插值，即对一个子帧的第i（i=0，1，…，LT-1）个OFDM符号分别进行DCT插值，即

沿频率方向进行补0，得到长度为Nc的信号为对h（i，n）进行Nc点IDCT插值，即

由此通过计算相邻导频子信道响应便可以得到一个子帧内所有含有导频子载波的OFDM符号的子信道响应。

4.2 时域DCT

完成在频域方向上插值后再在时间方向上对一个子帧所有的子载波进行插值，即对第k（k=0，1，…，Nc-1）个子载波进行DCT插值，即

沿时间方向进行补0，得到长度为Ns的信号hNs（n，k）

对h（n，k）作进行Ns点IDCT插值，即

这样就可以得到整个子帧的信道响应。

5 仿真结果

本节使用MATLAB 7.1对提出的基于2D DCT的TDLTE系统的信道估计算法进行仿真实验。以2发2收天线为例，仿真TD-LTE系统HS-PDSCH信道在EPA70信道环境下的性能。

仿真环境参数:循环前缀长度为144，资源块NRB=15，QPSK调制方式，采用发送分集方式，参考信号采用小区专用参考信号，仿真迭代次数为500。信道加性白高斯噪声为零均值，方差由信噪比决定。

仿真结果如图2和图3所示，分别比较了2D MMSE，2D DFT及2D DCT信道估计算法的误比特率（BER）和均方误差（MSE）。

从图2和图3的仿真结果可以看出，2D MMSE算法基于最小均方误差准则，体现了均方误差最优的性能。基于时域和频域2D DCT的信道估计算法性能优于基于2D DFT的信道估计算法，而且减少了估计时的混叠误差，在低信噪比时明显降低了加性高斯白噪和载波间干扰的影响。虽然时域和频域2D DCT算法较2D MMSE算法估计性能降低，但是随着SNR的增加2D DCT算法性能而逐渐接近2D MMSE算法，并且降低了实现复杂度，实现了比较高效和准确的估计。

6 结论

本文提出了一种基于时频二维DCT的TD-LTE系统信道估计方法，它是针对TD-LTE系统导频模式设计的，该方法可有效克服传统的基于DFT的信道估计方法的混叠误差，并且能以较低的实现复杂度逼近最优的2D MMSE信道估计器性能。此信道估计方法还能在接收信噪比较低时获取较高的信道估计精度，因此在TD-LTE系统的下行传输链路中采用该方法不仅能降低终端的估计功耗，还能降低基站端的导频发送功率。所以，对于TDLTE系统的多径信道环境，建议采用2D DCT这种信道估计算法。

:

［1］HOEHER P，KAISER S，ROBERTSON P.Two-dimensional pilot-symbol aided channel estimation by Wiener filtering［C］//Proc.1997 IEEE International Conference Acoustics，Speech，and Signal Processing.Munich，Germany:IEEE Press，1997:1845-1848.

［2］LI Y.Pilot-symbol-aided channel estimation for OFDM in wireless systems［J］.IEEE Trans.Vehicular Technology，2000，49（4）:1207-1215.

［3］JIANG B，WANG W J，WANG H M，et al.Two dimensional DCT-based channel estimation for OFDM systems with virtual subcarriers in mobile wireless channel［C］//Proc.IEEE International Conference Communication.Beijing，China:IEEE Press，2008:3801-3806.

［4］3GPP TS 36.211，Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA）;Physical channels and modulation（Release 10）［S］.2011.

［5］EDFORS O，SANDELL M，VAN DE BEEK J-J，et al.OFDM channel estimation by singular value decomposition［C］//Proc.IEEE 46th Vehicular Technology Conference，1996.［S.l］:IEEE press，1996:923-927.

［6］VAN DER BEEK J-J，EDFORS O，SANDELL M，et al.On channel estimation in OFDM system［C］//Proc.VTC 1995.［S.l.］:IEEE Press，1995:815-819.

［7］YEH Y H，CHEN S G.DCT-based channel estimation for OFDM systems［C］//Proc.2004 IEEE International Conference on Communications.［S.l.］:IEEE Press，2004:2442-2446.

Two－dimensional DCT－based Channel Estimation in TD－LTE Systems

CHEN Lin，SHEN Min

（School of Communications and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

In TD-LTE system，the high-speed mobile Doppler shift leads to a serious loss in the DFT-based interpolation channel estimation algorithm performance.In order to solve these problems，a two-dimensional discrete cosine transform channel estimation algorithm for TD-LTE system pilot model is proposed in this paper，and a detailed derivation is given.Simulation results show that the performance of the method is superior to the 2D-DFT algorithm，and can approach the performance of 2D Wiener filter estimation algorithm.

TD-LTE;2D-DFT;pilot model;2D-DCT

TN929.5

A

陈 琳（1988— ），女，硕士生，主研第三代移动通信技术及物理层应用;

申 敏（1963— ），女，教授，主研移动通信系统及关键技术、数字信号处理及其应用。

责任编辑:薛 京

2012－10－15