基于分块导频的SC—FDE信道估计算法改进

杨忠东

摘 要：随着计算机科学技术的不断发展，分块导频的SC-FDE信道估计算法受到了越来越多的重视。信道估计与频域均衡是单载波频域均衡（SC-FDF）系统的两大关键技术。其中，信道均衡是通过对估计出的信道衰减特征进行补偿，从而减小信号在传输过程中所受外界的影响，信道估计与频域均衡性能的好坏共同决定系统最后均衡的效果。因此，研究基于分块导频的SC-FDE信道估计算法改进具有非常重大的意义。本文介绍了SC-FDE系统和SC-FDE系统模型，阐述了信道估计和理论分析，并且进行了理论分析和信道与噪声方差估计，最后分析了系统仿真结果。

关键词：分块导频；SC-FDE；信道；估计算法

由于SC-FDE是基于分块理论进行频域均衡，因而对信道特征的估计和最终在频域进行的均衡操作显得至关重要。同时，SC-FDE还能对通信中信道的质量进行估计，得出信道特征，这是SC-FDE系统进行信道均衡的前提，然而，信道均衡是指对估计出的信道衰减特征进行补偿，以减小信号在传输过程中受到的外界影响，并且信道估计的质量会决定系统最后均衡的效果。因此，需要对信道估计这一关键的模块进行分析，结合相关的仿真结果，从而得出最优的SC-FDE信道估计。通过本文的论述，笔者一方面希望能起到抛砖引玉的作用，另一方面，希望能给相关的工作人员提供一点参考借鉴的材料。

1 SC-FDE系统概述

SC-FDE系统在发送端，通过输入信息流经过编码、符号映射等变换后，可以变成对应符号串。为了方便SC-FDE系统的接收端进行频域均衡处理，在信号发送端发出信号时，需要先将模块进行分块处理，得到传输块通常也可以称为符号，信号接收端主要是以块为单位进行符号的变换。同时，在块与块之间需要插入保护间隔，从而消除由于信道多径引起的传输块之间的串扰。SC-FDE系统的设计主要的依据是便于接收端进行快速同步和信道估计等操作。最后，SC-FDE系统将经过滤波、混频、放大后将信号发送出去。在SC-FDE系统的信号接收端，接收的信号首先需要经过放大、滤波、变频到基带和解调等流程，信号还需要利用部分训练块进行粗定时和载波同步，同时，另一部分训练块进行系统的进一步细定时同步、载波同步和信道估计。数据块是以快为单位进行变换的，利用信道估计得到的信道状态信息需要进行频域均衡后，最后通过一系列逆变换得到接收判决后的信息。

2 SC-FDE系统模型

SC-FDE系统模型发送的数据先经过星座映射，从而得到相应的符号串，并且需要将其进行分块处理，还需要在每一个数据块的前面添加一定长度的UW，以便克服多径信道带来的块间干扰。为了便于接收端进行实时信道估计，需要按照一定的频度周期性的插入序列。接收端首先需要进行据帧达到检测，一旦检测到长PN序列，则利用该序列进行频偏估计，并将该序列送入信道估计模块；利用估计出的信道参数，频域均衡模块和反馈滤波模块分别对数据进行相应处理。根据传输速率和UW长度要求，可以在两个序列中合理的选择一个作为UW的组成序列。

3 信道估计

SC-FDE系统的性能主要依赖于对接收端信道参数的准确估计。根据信道处理域的不同，信道估计一般可以分为时域估计和频域估计两类。但是，现在的SC-FDE系统一般采用频域估计的信道估计方法。当然，在信号移动性较强的环境中，SC-FDE系统的信道估计一般是通过在信号中插入已知的辅助数据来进行的。目前，插入辅助数据的设计方案一般包括以下两个方面，第一，利用每一个传输块的UW作为辅助数据，这种辅助数据的设计方案传输效率较高，但是估计精度不高。第二，为了进一步解决估计精度等问题，可以将一部分传输块替换成专门用于信道估计的已知辅助数据块，因而需要通过减小传输效率来提高估计的精度，这是另一种SC-FDE系统的估计算法。

3.1 利用UW进行SC-FDE系统信道估计

为了提高信道估计的效率和准确性，可以利用UW进行SC-FDE系统信道估计。增大UW长度会在提高信道估计性能，但是会使SC-FDE系统的传输效率降低。因此，UW长度需要根据实际的要求而设计，并且可以采用多块UW模式对信道进行多次估计，然后取其平均值以得到更加准确的信道参数，这样同样需要在信道估计性能和传输效率上进行折中选择。

3.2 基于辅助数据块的SC-FDE系统信道估计

由于SC-FDE系统是在时域完成信号的调制和检测的，基于辅助数据块的SC-FDE系统信道估计可以方便地使用。同时，SC-FDE系统的频域信号存在严重的问题，尤其是功率较小的频域信号对估计结果会产生严重的影响。因此，普通的SC-FDE数据块不适合用作SC-FDE系统信道估计的辅助数据块。当然，还应该保证SC-FDE系统的辅助序列在时域和频域上的幅度起伏都很小，因而在时域和频域都有恒定的幅度。但是，对于信道的变化的情况，由于信道状态是随着时间进行变化的，SC-FDE系统的信道估计一般是分为信道捕获和信道跟踪两步完成的。

4 理论分析

4.1 SC-FDE系统原理

为了进行更加准确的信道估计，SC-FDE系统在发送端需要对符号映射后，然后将数据块划分为多个子数据块。SC-FDE 系统原理是将模块中的导频分为多个子导频，再将子导频插入子数据块中，从而形成新的数据帧形式，最后利用这种新的数据帧形式进行信道估计。在接收端，主要是利用信道估计的结果进行频域均衡。

4.2 据帧结构

传统的SC-FDE系统采用循环前缀作为导频，再将每个数据块的符号进行复制用于信道估计。因此，采用已知的独特字序列进行信道估计，由于其发送端和接收端的导频序列都是确定的，因而可以进行更加精确的信道估计。同时，将导频UW分割为多个分块导频，取其平均值作为子信道频率响应的估计值。由于没有增加导频的数量，因而需要利用子导频进行多次估计可以提高信道估计的精确度。同时，还需要数据块的子导频进行再次分割，最后再去平均值，并且采用FFT插值的方法，以得到每个子信道频率响应的估计值。但是，数据块和导频的数量没有发生变化，因此，该方法不会增加系统的频带利用率。由于进行数据分块处理，在快衰落条件下，可以更精确地跟踪信道的变化。

5 信道与噪声方差估计

5.1 数据帧结构

SC-FDE系统的数据帧结构一般包括以下两种设计方案，第一，基于循环前缀的帧结构。第二，基于UW的帧结构。这种系统据帧结构方案也包括以下两种，首先，在每段有效数据前面插入一个UW序列，UW序列不仅能够吸收前一个数据块造成的多径干扰，还能用于接收端的信道估计。第二，在每段有效数据的前后分别插入一个UW序列，在两个UW序列中，后一个用于吸收前一个数据块造成的多径干扰，，前一个用于该块的信道估计。其中，具有特殊字UW序列的长度，一般系统据帧结构的带宽利用率包括以下三种，第一种系统据帧结构具有最高的带宽利用率，但是，其数据块后面一部分的复制，对于接收端来说是未知信息，还需要另外插入训练序列进行同步和信道估计，但是，这样会降低系统带宽利用率。第二种和第三种数据帧结构，由于发送端插入的导频序列是UW序列，这样还有助于后面的同步和信道估计。其中，第二种数据帧结构的带宽利用率比较高，但是，UW块吸收了前一个数据块的多径影响，再用该UW块进行信道估计时，从而使得SC-FDE系统的估计精度大大降低。目前，在SC-FDE系统中，大多数SC-FDE系统采用的是第三种数据帧结构。但是，当每一段有效数据与其后面的UW序列组成一个数据块时，UW序列的插入使得数据块具有较好的周期性和自相关特性。同时，数据块前面的UW序列一方面与循环前缀的作用相同，不仅可以用作均衡、同步和信道估计中的导频，还能吸收前一数据块的干扰。

5.2 信道估计算法

SC-FDE系统的时域一般会经过多径信道的情况，采用以上三种数据帧结构，因此，采用信道估计算法显得至关重要。当然，每一发送数据块尾部添加UW，以执行循环前缀。并且还需要调制每一个数据块的长度，从而保证信道估计算法的精确性。在发送信号之前，SC-FDE系统的头尾需要各自添加一个UW块。当假定信道是准静态时，在一个数据块内，信道就是非时变的。

6 系统仿真结果分析

采用不同算法仿真的误码率曲线都不相同，从信道估计的方法的算法来看，理论的插值的信道估计方法是最好的估计方法，插值方法的准确性相比其他方法更高。与均衡算法相比，信道估计方法比其他的效果更好，仿真结果也验证了这一点。同时需要注意的是，采用插值方法估计的值与均衡方法得到的误码率曲线相差不大。因此，为了得到更好的误码率性能，一般选用插值的信道估计算法。同时，在实现频域均衡算法时，还需要估计信道的信噪比，虽然实现算法比较复杂，在采用插值跟踪时对系统性能的提升效果不明显，但是，采用均衡方法更加具有综合优势。因此，需要综合考虑SC-FDE系统的误码率与实现复杂度性能，从而选择出更适合的估计算法。通过系统仿真结果分析表明，插值信道估计和均衡估计是SC-FDE系统最具优势的信道估计与频域均衡组合算法，因而得到了广泛的应用。

7 总结

总而言之，基于分块导频的SC-FDE信道估计算法显得越来越重要。为了更好地提高SC-FDE信道估计算法的精度，需要对两个模块的各个不同算法进行组合，分别得到了不同组合方式下的仿真结果。最后，通过仿真结果分析表明，采用插值信道跟踪的信道估计算法比其他两种信道估计算法的误码率性能有较大的提高。但是，在采用插值信道估计算法时，以上两种算法对系统误码率性能改善的效果大致相同。所以，我们需要综合考虑误码率和算法实现复杂度等因素，在SC-FDE系统实现方案中，选择最优的组合方案。因此，现阶段研究基于分块导频的SC-FDE信道估计算法改进具有非常重大的现实意义。以上是本人的粗浅之见，由于本人的知识水平及文字组织能力有限，文中如有不到之处还望不吝赐教。

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