LTE-A中一种改进的基于DFT的信道估计算法

王亚林，张元雨，朱宇霞

（1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074；2.北京北方烽火科技有限公司，北京 100085）

无线通信技术

LTE-A中一种改进的基于DFT的信道估计算法

王亚林1，2，张元雨2，朱宇霞1，2

（1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074；2.北京北方烽火科技有限公司，北京 100085）

结合实际LTE-A（增强型长期演进）系统，研究了基于DFT（离散傅里叶变换）的信道估计算法，针对其存在的CIR（信道冲激响应）能量泄露问题，提出了一种改进的DFT算法，利用递推数列重构CIR，抑制噪声并减小能量损失，并将处理后的CFR（信道频域响应）抖动点用LS（最小二乘）结果进行替换，进一步抑制吉布斯现象。仿真结果表明，改进算法的性能优于LS和传统DFT算法。

增强型长期演进；信道估计；离散傅里叶变换；能量泄露

0 引 言

LTE-A（增强型长期演进）进一步提高了频谱效率和对高速场景的支持，沿用了OFDM（正交频分复用）和MIMO（多输入多输出）技术作为物理层核心技术，这些关键技术的性能很大程度上依赖于信道估计的精度，因此，信道估计在LTE-A系统中尤为重要。

常用的信道估计方法有LS（最小二乘）、DFT（离散傅里叶变换）以及MMSE（最小均方误差）。LS算法简单，但忽略了噪声影响，性能较差；MMSE算法复杂度高，而且需要获得信道的先验信息，但性能最好；DFT算法的复杂度和性能介于上述两者之间，并且可通过FFT（快速傅里叶变换）快速实现，具有很好的实用价值，所以目前的LTE-A系统中仍以DFT算法为主。但由于实际系统中多径时延通常都不是系统采样间隔的整数倍以及虚载波的存在［1］，DFT算法在时域去噪时会存在能量泄漏问题，并且由于LTE-A系统中采用的是基于导频的信道估计方法，导频个数越少，变到时域上相对的能量泄露就越大，这会导致高信噪比下的信道估计性能恶劣。本文提出一种改进的DFT算法，仿真结果表明，该算法可有效地提高系统性能。

1 LTE-A系统基带模型

假设LTE-A系统总子载波数为N，有效子载波数为Nr，则LTE-A系统模型可用下式表示：

式中，k为第k个子载波；H（k）为理想信道频域响应系数；X（k）为频域发送端信号；Y（k）为接收到的频域信号，W（k）为叠加在频域信号上均值为0的高斯白噪声。为了避免由于过采样或发送/接收滤波对数据信号带来的畸变［2］，系统一般都需要引入虚载波，虚载波不属于所设计系统的可用频带范围，不能用于系统中的任何目的，因此在后续分析中，虚子载波位置上的H（k）用0代替。

信号在多径衰落信道中传播，CIR（信道冲击响应）可以表示为抽头延迟线性模型［3］

式中，n为观察时间（对采样间隔Ts归一化）；L为信道的多径数；τl为第l条路径的时延（对采样间隔Ts归一化）；hl为第l条路径的复信道增益。假设CIR长度不超过CP（循环前缀），则该信道对应第k个子载波的CFR（信道频域响应）H（k）为

2 信道估计算法

2.1导频分布

LTE-A系统下行链路中存在多种导频，分别为CRS（小区专属参考信号）、DMRS（解调参考信号）和CSI-RS（信道状态信息参考信号）。考虑到波束赋形情况下用户采用DMRS进行信道估计，并且DMRS数量随用户所占的时频资源带宽而变化［4-5］，相比其他导频，基于DMRS的信道估计更具实用意义，因此本文以DMRS作为信道估计导频进行研究。图1所示为常规CP时，用户被分配一对PRB（物理资源块），端口7上的DMRS在OFDM资源格中的分布情况。图中，I表示OFDM符号编号。

图1　DMRS分布情况

2.2导频位置信道估计

LS算法的原理是使接收数据与无噪声数据之差的平方最小。在式（1）的基础上，针对DMRS，假设目标OFDM符号上DMRS所占子载波位置为p，则可得于是，该DMRS位置的LS算法信道估计为可以看出，LS算法计算量小，但其忽略了噪声的影响，在低信噪比下性能较差。为了减小噪声对LS算法的影响，在LS算法的基础上提出DFT信道估计算法。

对于DMRS而言，传统DFT算法的处理流程如图2所示。由于OFDM符号的长度远大于信道的最大时延，对LS的结果进行IDFT（离散傅里叶逆变换）得到的CIR大部分能量都集中在相对少数几个采样点上［6］，且主要集中在首尾两端，DFT时域去噪就是利用该特点。但在高信噪比下，噪声的影响已经不大，而去噪时损失的信道能量相对较大，这就使得算法性能明显下降。

图2　传统DFT算法处理过程

2.3改进的DFT算法

改进算法是在传统算法的基础上，进一步地抑制信道能量损失。通过仿真分析可以得出，越靠近CIR中间的信道，能量越小，由此可构造递推数列来重构CIR，使其逼近理想信道的CIR，最后再对能量泄露造成的频域抖动点作替换处理，进一步减小能量损失，从而获得较为精确的信道估计。图3所示为改进DFT算法的流程图。

图3　改进DFT算法的流程图

首先对LS的结果HLS（p）进行频域线性插值，获得用户所占带宽的全部子载波频域响应系数，再对进行IDFT，得到时域。频域插值可使时域CIR点数增加，利于后续的替换处理，具体在替换处理时说明。

对CIR分段重构处理。假设用户被分配的PRB对数为G，则用户所占子载波数为Num= G*NRBsc，NRBsc表示一个PRB的频域子载波宽度，可将划分为4个区间，分别为［1，G］、［G+1，Num/2-1］、［Num/2，Num-G-1］和［Num-G，Num］，各个区间按以下步骤处理：

（3）对于第3段区间，按照下式进行重构：

（4）对于第4段区间，按照下式进行重构：

图4　各种算法的CIR幅度

图5　20dB下CFR能量谱

式中，α为替换系数，选取不同的α值会带来不同的替换效果。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，但低信噪比下性能会变好。从这里可以看出，如果CIR的点数太少，替换后的性能基本与LS算法一致，所以前文需要进行频域插值。为了取得折衷性能，通过大量的实验仿真，本文选取α=1.2。

3 仿真结果分析

仿真平台按照LTE-A R11物理层协议进行搭建，系统采用的仿真参数如下：系统带宽为20MHz，IFFT变换点数为2 048，有效子载波数为1 200，用户所占子载波数为120（即10个PRB带宽），采用连续资源分配方式，导频为DMRS，传输模式为TM8，双流波束赋形传输方案，调制方式为QPSK（正交相移键控），载波频率为2.3GHz，信道模型为EPA（扩展步行者信道模型）信道，高斯白噪声，移动速度为5km/h。

图6所示为几种算法的误比特率对比。从图中可以得出，在信噪比较低时，传统DFT算法和改进的DFT算法性能相当，均优于LS算法；随着信噪比增加，传统DFT算法性能变差，逐渐不如LS算法，这是由于时域去噪的同时损失了一部分信道能量，在低信噪比时由于噪声的影响占据主导地位，去噪带来的性能增益大于能量损失带来的性能衰减，故而性能整体上是提升的。但随着信噪比的升高，噪声的影响逐渐减小，此时去噪带来的性能增益逐渐小于能量损失带来的性能衰减，故整体上性能会下降，甚至比LS算法更差。而改进DFT算法由于在去噪的同时又抑制了信道能量的损失，所以即使随着信噪比的增加，改进算法的性能依然可以得到保障，而且复杂度不高，整体上优于传统DFT算法，可以用于实际的LTE-A系统，具有很好的实用价值。

4 结束语

本文对LTE-A系统下行链路中的信道估计问题进行了研究，考虑到实际LTE-A系统中路径时延并非采样间隔的整数倍，并且系统存在虚载波，使用传统DFT时域去噪方法会产生CIR能量泄露，特别是当DMRS导频数量较少时泄露相对较大，此时直接置零去噪已经不太适用。针对以上情况，本文提出了一种改进的DFT信道估计方法，通过递推重构和替换处理，改进算法可以有效地抑制噪声并减小信道能量损失，在只增加少量复杂度的情况下，提高了信道估计和整个系统的性能，具有很好的实用价值。

［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.一种基于DFT的低复杂度虚子载波OFDM信道估计算法［J］.电子与信息学报，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]郭锐.一种基于DFT的LTE下行信道估计算法［J］.北京联合大学学报，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

国家“八六三”计划资助项目（2014AA01A707）

王亚林（1990-），男，安徽芜湖人。硕士研究生，主要研究方向为LTE-A物理层算法。