MB-OFDM UWB系统中导频图样的最优化设计

陈 莉,曾以成,杨 丹,任 伟

(湘潭大学光电工程系,湖南湘潭411105)

MB-OFDM UWB系统中导频图样的最优化设计

陈 莉,曾以成,杨 丹,任 伟

(湘潭大学光电工程系,湖南湘潭411105)

在MB-OFDM UWB系统中,导频图样对信道估计的影响较大,为了甄别这些影响,并寻找到较优的导频图样,根据信道的最大多径时延和最大多普勒频移以及取样率平衡原理来确定导频的时域和频域间隔,并通过性能仿真对比,得到不同的导频图样对信道估计算法和信道插值算法的影响。通过Matlab仿真实验表明,该方法较传统的导频图样设计方法更快速,具有更好的性能,可为不同信道估计方法中导频图样的选择提供依据。

超宽带 正交频分复用 导频图样 信道估计

0 引 言

超宽带(UWB,Ultra Wide Band)通信是一种短距离高速无线通信技术。采用多频带正交频分复用(MB-OFDM,Multi-band Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术,可以在相继的时间里于不同子频带内传输给用户数据,可以避免特定频带上的非人为干扰,不需要射频限波滤波器。在MBOFDM UWB系统中,由于无线信道常常是衰落信道,系统对频偏比较敏感,所以一般使用相干检测,此时,信道估计[1]是必须的,则需要不断对信道进行跟踪,这主要依靠导频,因此导频信息的选择会对信道估计性能有影响。

近年来,信道估计中的导频设计被广泛研究。文献[2]验证了二维导频对信道估计的影响,这种方法在不给估计性能带来很大损失的情况下,极大地降低了导频符号的数量,它的缺点是在某些边界点处有较大的误差;文献[3]中提出了一种穷举法导频设计方案,即对所有可能的导频图样进行仿真,从中找到最适合的导频图样,但这种方法运算量太大,仿真时间较长;文献[4]中验证了时域块状导频插入方式和斜对角导频插入方式的优越性,但这两种插入方式更适合于光OFDM通信系统。为了解决上述问题,文中根据信道的最大多径时延和最大多普勒频移以及取样率平衡原理来确定导频的时域和频域间隔,通过对基于不同导频图样的信道估计算法和信道插值算法进行仿真比较,为不同信道估计方法中导频图样的选择提供优化方案。

1 MB-OFDM UWB信道估计系统

1.1 系统模型

基于MB-OFDM超宽带系统的发送和接收系统如图1所示。

图1给出了一个常用的基于OFDM的UWB信号基带发送和接收的系统模型,在信道前插入了循环前缀(CP)来消除符号间干扰(ISI),得到信号xp(n),FFT为快速傅里叶变换。接收端的信号yp(n)可表示成:

式中,w(n)为加性高斯白噪声,h(n)为信道的脉冲响应。

图1 MB-OFDM超宽带系统的发送和接收框Fig.1 Sending and receiving block diagram of MB-OFDM UWB system

1.2 基于导频的信道估计

基于导频信道估计也称为非盲信道估计,几种典型的非盲信道估计算法有:基于LS准则的信道估计算法、基于DFT的变换域信道估计算法和基于MMSE准则的信道估计算法。基于导频的信道插值算法主要有:线性插值、高斯插值、三次样条插值以及hermite插值方法[5]等。文中仍采用LS准则,基于导频的信道估计算法如下述。上面式(1)的频域表达式为:

Xp=diag(Xp(0)Xp(1)…Xp(N-1))T为导频子信道传输信号矩阵,Hp=(Hp(0)Hp(1)…Hp(N-1))T为导频所在子信道的频域脉冲响应,Yp= (Yp(0)Yp(1)…Yp(N-1))T为经过信道传输后接收的导频信号向量,Wp为噪声序列的傅氏变换,由LS准则得信道估计算法为:

使其最小化,需要求偏导数,即

基于导频的非盲信道估计的基本过程是:在发送端适当位置插入导频,接收端利用导频恢复出导频位置的信道信息,然后利用某种处理手段(如信道插值)获得所有时段的信道信息。但是插值算法也会带来新的噪声,产生噪声门限效应,插值算法带来的噪声主要取决于两个方面:一是导频插入的数量和方法,导频数量越多,插值得到的信道估计越好,相应的噪声消除效果就越佳[6],但同时也降低了频谱利用率。二是取决于插值方法的使用,通过对插值方法的改进也可以优化系统性能,文中对这两个方面的因素都进行了仿真讨论,为选取更合适于信道估计和信道插值算法的导频图样提供依据。

2 导频图样设计

2.1 导频插入方式设计

MB-OFDM UWB系统常采用基于导频序列的信道估计,其中有两种典型的一维导频序列插入方式[7]一种是块状导频(如图2(a)所示),适用于慢衰落信道;另一种是梳状导频(如图2(b)所示),适用于快衰落信道。文中进行了基于这两种导频插入方式的系统仿真。

图2 块状导频分布和梳状导频分布Fig.2 Block and comb pilot frequency distribution

2.2 导频间距设计

在OFDM系统中,进行相干解调时,一个关键的问题是导频的选择,包括导频的结构和数量等。在进行导频图样设计时,如果导频间隔[8-9]过大,就不能准确的跟踪信道的信息;如果导频间隔过小,就会导致频谱利用率不高,使系统效率受到影响。因此导频图样的设计要在满足一定设计准则的前提下,尽量达到系统最优。由文献可知,时域内的相关时间约等于最大多普勒频移的倒数,在频域内的相关带宽约等于最大多径时延的倒数,在理想情况下,插入的导频时域和频域必须满足以下条件,即导频的时域间隔St要小于相关时间,导频的频域间隔Sf要小于相关带宽,用公式表示为:

式中,fd为最大多普勒频移,τmax为最大多径时延。但在实际的MB-OFDM超宽带系统中,根据上面的设计准则设计的导频图案还不能完全满足系统的要求,如文献[3]所示,为了达到更好的信道估计性能,这里应采用过采样技术。根据奈奎斯特抽样定理,抽样频率要大于信号带宽的两倍,才能无失真的恢复出原始信号,即导频的时域和频域间隔也应满足这一关系,才能更好的还原信道的信息,即

式中,Nt、Nf分别表示导频的时域和频域间隔,Δf为系统子载波间隔,Ts为OFDM符号周期。对式(7)、式(8)向下取整,便可得导频的时域和频域间隔的可能值,即得到满足系统的多种导频图案。为了确定最优的导频时域和频域间隔,文中采用表1的MB-OFDM UWB系统仿真参数。由式(7)、式(8)可得式(9)、式(10)确定的时频间隔,因此文中进行了导频数小于等于10的系统仿真。

表1 MB-OFDM UWB系统仿真参数Table 1 Simulation parameters of MB-OFDM UWB system

对于信道传输函数比较好的抽样应该使时间轴的取样率和频率轴的取样率平衡,既满足下式

在安排导频符号时,还应该尽量使一帧中的第一个OFDM符号和最后一个OFDM符号内包含有导频符号[10-11],这样就能保证每帧边缘的估计值比较准确。由式(9)、式(10)、式(11)即可确定满足此MB-OFDM UWB系统的最佳导频间距,即Nt取9且Nf取7。

3 仿真结果及性能分析

文中通过仿真不同导频结构和不同导频间距的系统信道估计性能,来验证上述导频图样对信道估计的影响。采用图1所示基带系统,FFT长度为128,调制方式为QPSK,采用的信道模型为瑞利衰落模型。

3.1 导频插入方式仿真

为了评估导频插入方式对信道估计的影响,仿真了基于梳状导频和块状导频的MB-OFDM UWB系统性能,图3为基于梳状导频和块状导频的信道估计算法的BER比较。由图3可知,在有信道估计的前提下,在慢衰落的信道模型中,基于块状导频的信道估计的误比特率要低于基于梳状导频的信道估计的误比特率。基于块状导频的信道估计是指在发送信号中每隔一定的时间插入导频信号,且导频信号占据所有子载波,接收端通过对这些导频信号进行处理,来得到信道的有效参数。文中采用的信道模型是慢衰落的,所以信道在两个导频信号之间的时间内可以近似看作是稳定的,采用块状导频可以对导频所占据子载波周围进行全面搜索。因此在慢衰落模型中,基于块状导频的信道估计算法优于基于梳状导频的同类的信道估计算法。为再次验证这一结论,文中仿真了三次样条插值和三次hermite插值算法,如图4所示,基于块状导频的插值算法性能要优于基于梳状导频的插值算法。

图3 基于不同导频结构的信道估计算法BER比较Fig.3 BER comparison of channel estimation algorithm based on different pilot structures

图4 基于不同导频结构的信道插值算法BER比较Fig.4 BER comparison of channel interpolation algorithm based on different pilot structures

3.2 导频间距最优化

由式(9)、式(10)可得MB-OFDM UWB系统导频信息的时域和频域间隔上限,为了确定各种信道估计方法在此系统中的最佳导频间隔也即由式(9)、式(10)、式(11)得出的结论,由于采用的是慢衰落信道,块状导频在频率轴上的间隔对系统影响不是很大,文中仿真了基于梳状导频的各种导频间隔的系统性能,如图5和图6所示。

图5 基于不同导频间隔的信道估计算法BER比较Fig.5 BER comparison of channel estimation algorithm based on different pilot intervals

图6 基于不同导频间隔的信道插值算法BER比较Fig.6 BER comparison of channel interpolation algorithm based on different pilot intervals

由图5可得,微小的导频间隔变化对信道估计的性能几乎没有什么影响,导频间隔的变化会导致导频数量的变化,而由于导频间隔是微小变化的,所以导频数量也是微小变化的,基于导频信道估计算法的原理是通过对导频处的信道响应来对整个信道进行粗估计,所以得到的信道响应是一个大致的估计值,故导频的这种微小变化不会对这个大致的估计值产生很大的影响,此时再去研究最优导频间隔也没多大意义。而由图6可知借助了信道插值算法的信道估计会比没有信道插值的信道估计效果要好,而且在此梳状导频系统中,当导频间隔为7时,系统误比特率最低,较其他导频间隔的优势较大,也即为系统的最佳导频间隔,验证了由式(9)、式(10)、式(11)所得的结论,且三次hermite插值的系统性能会在信噪比较高的时候略优于三次样条插值。这是因为除去导频外的数据子载波的信道响应需要借助信道插值和滤波等方法来完成,故图6所示的效果都要优于图5。虽然三次hermite插值会在一定程度上减少运算量,但三次hermite插值搜索范围相对三次样条插值而言要窄,更容易感知细微变化,这也对导频间隔的选择提出了更高的要求。

4 结 语

针对超宽带这一无线通信技术的需要,文中主要研究了MB-OFDM UWB系统的导频图样的设计,提出了一种快速确定最优导频间隔的方法,并且分别对导频插入方式和导频间隔的变化所引起的信道估计的影响进行了仿真。结果表明在慢衰落信道导频插入方式上,基于块状导频的信道估计方法要更优于基于梳状导频的信道估计方法。对于导频间隔的变化,各种信道估计方法的敏感程度不一,含插值算法的信道估计比不含插值算法的信道估计更敏感,而三次hermite插值由于其搜索半径较小,从而较其他算法能够更准确的还原信道信息,也因为如此对导频间隔的变化敏感程度较其他算法而言会更大。文中采用的导频方案弥补了边缘误差大的缺陷,同时也大大缩短了确定最优导频间隔的仿真时间。导频图样的不同会对信道估计产生一定的影响,需要对各种图样进行筛选,从中选择最佳的导频图样。将这些系统用硬件实现[12],用硬件仿真来验证这些结论,将是我们下一步的研究内容。

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

曾以成(1962—),男,博士生导师,主要研究方向为信号处理、滤波器理论与设计;

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

杨 丹(1987—),女,硕士研究生,主要研究方向为滤波器设计;

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

任 伟(1986—),男,硕士研究生,主要研究方向为滤波器设计。

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

陈 莉(1988—),女,硕士研究生,主要研究方向为超宽带信号处理;