UWB系统复合导频信道估计方法

王丽娟，王 丹，普杰信

（河南科技大学，河南洛阳 471003）

UWB系统复合导频信道估计方法

王丽娟，王 丹，普杰信

（河南科技大学，河南洛阳 471003）

隐藏系统具有估计精度差的缺陷，辅助导频具有占用带宽多的缺陷，针对这种情况提出了复合导频信道估计方法，在隐藏导频中插入极少量的辅助导频，由于UWB信道是慢变信道，所以隐藏导频可以借鉴辅助导频的信道估计，把辅助导频和隐藏导频的信道估计叠加成新的信道估计。仿真结果表明，复合导频信道估计继承了两种导频信道估计的优点，提高了信道估计精度，减少了带宽占用率。

超宽带;正交频分复用;隐藏导频;复合导频;信道估计

超宽带系统［1－3］由于具有极大的通信容量和极低的功耗等优势成为近些年高速率通信的热点。超宽带UWB系统目前有两种技术方案:多频带正交频分复用（MBOFDM）和冲激无线电（Impulse Radio，IR－UWB）技术。其中OFDM技术方案简单、灵活可靠，因而得到58%的支持率。

在MB－OFDM系统中经常使用基于导频的信道估计方法［4－6］，按导频方式可分为辅助导频信道估计和隐藏导频信道估计。其中辅助导频信道估计具有实现简单、性能优良、稳定可靠等优点，但是辅助导频占用信道带宽且易受噪声干扰。隐藏导频［7－8］具有频带利用率高、抗噪声效果好等优点，然而隐藏导频的信道精度却很差。辅助导频因具有较高的估计精度，所以得到了广泛的使用。实际上隐藏导频有较强的应用前景，众多的人士开始注意到隐藏导频并投入到对隐藏导频的研究。基于隐藏导频的估计算法精度差是多方面的，文献［9］提出了功率因子以减小导频和数据的互扰;文献［10］指出在时域叠加导频提高信道估计精度。以上算法都提高了信道估计精度，但是收效甚微，单一的改进辅助导频和单一的改进隐藏导频都很难收到较好的效果。

本文提出复合导频方法，在隐藏导频中插入极少量的辅助导频，隐藏导频的信道估计按比例叠加辅助导频信道估计成为最终信道估计。由于辅助导频数据极少，发挥出了隐藏导频不占用带宽优势，隐藏导频借鉴了辅助导频的信道估计，故系统的误码率有了明显下降，复合导频继承了两种导频方式的优点，因此有较广泛的应用前景。

1UWB系统模型

复合导频的插入及叠加方式如图1所示，每个数据块中包含1个辅助导频及多个隐藏导频，隐藏导频以块状叠加到数据上。其中每个隐藏导频块都可以得到导频块处的信道估计，由于隐藏导频自身原因存在导频和数据互扰，所以其信道估计精度较差。由于UWB信道是慢变信道，所以隐藏导频的信道估计可以借鉴这个数据块中的辅助导频信道估计来纠正自己的偏差。

发送数据经扰码、卷积编码、交织后进行数字调制，工程应用中因QPSK调制复杂度低、误码率低使用广泛。调制后的数据插入辅助导频同时叠加隐藏导频，加入导频的数据发送和接收过程如图2所示。

数据X经过IFFT变换，加入循环前缀CP通过信道。CP大于信道长度时可以有效地消除符号间串扰（Inter Symbol Interference，ISI），同时在接收端去除CP，因此可以忽略CP，接收数据Y可表示为

式中:IFFT表示快速傅里叶反变换;FFT表示快速傅里叶变换;⊗表示卷积;h表示信道的时域冲激响应;v表示时域加性高斯白噪声。式（1）化简后可得

式中:H是h的快速傅里叶变换;V是v的快速傅里叶变换。

2 信道估计

2.1 辅助导频和隐藏导频的信道估计

辅助导频系统是把导频以数据的形式送入信道，因此把接收导频P'、发送导频P带入到式（2）可得

将式（3）代入LS算法［11］可得辅助导频估计结果为

隐藏导频系统是把导频叠加到数据上同时送入信道，接收端对接收数据做均值处理，数据和噪声的统计均值为0，隐藏导频的接收导频可表示为

将式（5）代入LS算法，可得隐藏导频信道估计为

2.2 复合导频信道估计

辅助导频和隐藏导频使用的是相同的导频符号P完成信道估计。复合导频按比例吸收辅助导频和隐藏导频的信道估计，其中复合导频以隐藏导频为主，k表示隐藏导频信道估计成分的比例，辅助导频信道估计占的比例为1－k，两种导频信道估计最终组合成完整的新信道估计。每个数据帧中只有一组辅助导频信道估计和多组隐藏导频信道估计，由于UWB的慢变性和辅助导频所占比例较小，所以可以多个隐藏导频共用一组辅助导频以减小辅助导频占用带宽。复合导频信道估计可表示为

式（7）展开后得

通过调整k控制各种干扰的幅度，使总的干扰叠加和最小就能达到提高信道估计的目的。

2.3 各种干扰特性和比例因子

图3 各种干扰的特性

由图3可知，E（V）和V随着信噪比的增大而减小，而且E（V）远小于V和E（S），所以主要考虑的干扰是E（S）和V。在低信噪比区可以使用较大的k值减小噪声的干扰，在高信噪比区用较小k值抵抗数据E（S）的干扰。

最简单实用的方法是使用最能照顾各信噪比情况的比例因子k，比例因子的确定将在仿真中根据系统的实际特性进行确定。

3 实验与仿真

为了检验复合导频的特性，这里做了仿真，仿真环境如表1所示。

表1 系统仿真环境

3.1 LS算法比例因子k与信道估计

为了观察不同数值比例因子对系统的影响，做了比例因子与误码率特性的仿真，如图4所示。

图4 比例因子与误码率特性

在低信噪比、k的取值较大时，误码率偏低;k取较大值时，信道估计更贴近于隐藏导频信道估计，有较好的抗噪声能力。随着信噪比增大，隐藏导频信道估计精度差的缺陷开始显露出来。k取值在0.6附近时误码率最低，此时噪声小，辅助导频的信道估计精度更高，所以出现信道估计向辅助导频方向靠拢，即k值变小。根据图4显示的k与系统误码率的特性可以找出一个能够照顾各信噪比情况的最优k值，当k=0.6时系统综合性能最好，即为折中比例因子k。

3.2 LS算法折中比例因子k的系统特性

图5是折中比例因子k在LS算法下信道估计的均方误差特性图。复合导频的均方误差特性介于辅助导频和隐藏导频之间，复合导频继承了隐藏导频较好的抗噪声特性，同时兼有辅助导频高信噪比精度高的特性。

图5 折中比例因子信道估计均方误差特性

比例因子取折中值0.6时，LS算法系统的误码率特性如图6所示。复合导频由于吸收了辅助导频的信道估计，其误码率在高信噪比区域有了大幅的下降。

图6 折中比例因子的误码率特性

通过以上的仿真和分析可知，复合导频信道估计精度相对于隐藏导频有很大的提升，同时发送效率远高于辅助导频，复合导频吸收了两种导频的优势。

4 小结

本文提出了把隐藏导频的信道估计和辅助导频的信道估计按比例组合生成新信道估计的复合导频算法，复合导频信道估计继承了两种导频信道估计的优点。相对于隐藏导频，复合导频估计精度有显著的提升，在带宽占用率上相对于辅助导频有着明显的优势。在基于导频的信道估计系统中，复合导频是较理想的信道估计方案。

:

［1］王树平.超宽带系统的调制技术［J］.电视技术，2007，31（3）:96－99.

［2］耿鹏，邹传云，游路路.超宽带无线通信解决方案的分析与比较［J］.电视技术，2006，30（2）:58－60.

［3］QIU R C，SCHOLTZ R A，SHEN X.Guest editorial special section on ultra wideband wireless communications—a new horizon［J］.IEEE Trans.Vehicular Technology，2005，54（5）:1525－1527.

［4］张先玉，刘郁林，张建新.基于隐藏导频的多频带正交频分复用超宽带稀疏信道估计［J］.上海交通大学学报，2010，44（9）:1261－1265.

［5］宁小玲，刘忠，刘志坤.稀疏水声OFDM系统迭代LS自适应信道估计［J］.电子科技大学学报，2011，40（5）:641－645.

［6］石磊，郭宝龙，李小平，等.一种低复杂度LMMSE信道估计算法［J］.电子科技大学学报:自然科学版，2012，39（2）:24－28.

［7］TUGNAIT J K，MENG X H.On superimposed training for channel estimation performance analysis，training power allocation and frame synchronization［J］.IEEE Trans.Signal Processing，2006，54（2）:752－765.

［8］JAGANNATHAM S A K，RAO B D.Superimposed pilot vs.conventional pilot for channel estimation［C］//Proc.40th Asilomar Conference on Signals，Systems and Computers，2006.［S.l.］:IEEE Press，2006:767－771.

［9］OROZCO－LUGO A G，LARA M M，MCLERNON D C.Channel estimation using implicit training［J］.IEEE Trans.Signal Processing，2004，52（1）:240－254.

［10］杨硕，张海滨，宋文涛，等.基于隐藏导频的正交频分复用信道估计［J］.上海交通大学学报，2006，40（9）:1483－1486.

［11］VAN DE BEEK J－J，EDFORS O，SANDELL M，et al.On channel estimation in OFDM systems［C］//Proc.IEEE 45th Vehicular Technology Conference，1996.［S.l.］:IEEE Press，1996:923－927.

Composite Pilot Channel Estimation in UWB Systems

WANG Lijuan，WANG Dan，PU Jiexin

（Henan University of Science and Technology，Henan Luoyang 471003，China）

Superimposed system has the defect of estimating accuracy difference，and auxiliary pilot has the defect of occupancy excessive bandwidth.Aiming at this situation，the composite pilot channel estimation method is put forward.The little composite pilot is inserted in the superimposed pilot.Due to the UWB channel is slow－varying channel，the superimposed pilot can reference the channel estimation of auxiliary pilot.The channel estimation of auxiliary pilot and superimposed pilot are stacked into new channel estimation.The simulation results show the auxiliary pilot channel estimation inherits the advantage of pilot channel estimation，and the channel estimation accuracy is improved，and the occupancy bandwidth is decreased.

UWB;OFDM;superimposed pilot;composite pilot;channel estimation

TN911.23

A

【本文献信息】王丽娟，王丹，普杰信.UWB系统复合导频信道估计方法［J］.电视技术，2013，37（3）.

国家自然科学基金项目（61101167）;航空科学基金项目（20110142002）;河南科技大学博士科研启动基金资助项目（09001409）;河南科技大学青年科学基金资助项目（2010QN0019）;河南省科技攻关计划项目（112102210431）

王丽娟，硕士生，主研通信信号处理;

王 丹，博士，副教授，主研通信信号处理、计算机检测技术和多学科协同仿真与建模;

普杰信，博士，教授，主研模式识别与图像处理。

责任编辑:薛 京

2012－07－10