基于虚拟子载波的LTE信道估计算法设计

【摘 要】分析了经典LTE系统信道估计算法在不同信道条件下的缺陷，为克服传统信道估计固有的泄漏效应，提升LTE系统信道估计的有效性，提出了基于虚拟子载波拓展的连续相位预测和连续相位周期延拓算法，可有效提升LTE系统吞吐量。数值仿真结果也验证了所提算法的有效性。

【关键词】信道估计 周期拓展 虚拟子载波

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.08.011 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2017）08-0054-04

引用格式：邓单. 基于虚拟子载波的LTE信道估计算法设计[J]. 移动通信， 2017，41（8）： 54-57.

LTE Channel Estimation Algorithms Based on Virtual Carrier

DENG Dan

[Abstract] The shortcomings of classical channel estimation algorithms in different channel conditions for LTE systems were analyzed in this paper. In overcome the inherent leak effect of traditional channel estimation algorithms and enhance the effectiveness of channel estimations in LTE systems. An algorithm based on the prediction and periodic expansion of continuous phase of virtual carrier expansion was proposed， which can effectively enhance the throughput of LTE systems. Numerical simulation results validate the effectiveness of the proposed algorithm.

[Key words]channel estimation periodic expansion virtual carrier

1 引言

信道估計算法的目的是克服传输信道噪声并准确反映信道特性[1-2]，LTE信道估计一般采用相干估计[3-4]，利用收发双方已知的导频序列，准确反映信道在时域上各径的时延和幅度相位，即时域信道冲击响应；或是反映信道在频域上各子载波的幅度相位，即频域冲击响应。利用信道估计结果，可以对接收信号进行均衡，以去除信道的影响。衡量信道估计准则一般采用最小平方准则和最小均方误差准则[5-7]。

对于LTE系统物理上行共享链路而言，采用的是块状导频结构，每个时隙有一个符号放置解调参考信号。因此，基站在进行信道估计的时候，首先是要估计出解调参考信号处的信道响应，然后利用参考信号处的信道响应在时域进行平均或插值就可以获得一个子帧或一个时隙的信道响应值。针对LTE上行信道常用的信道估计算法有最小二乘法、时域去噪法、最小均方误差法等。

2 算法缺陷分析

LTE上行的导频结构为连续分布，所占资源数为12的整数倍，若进行时域去噪操作，需要非2幂次方的DFT（Discrete Fourier Transform，离散傅立叶变换）运算。在工程实现中，FFT（Fast Fourier Transform，离散傅立叶变换）运算速度比DFT快，但必须至少为基2的点数才能进行，现有技术一般采用补0的方式将频域信道冲击响应补足2幂次方长度以进行FFT运算。以长度为1的导频为例，若其通过理想信道，其频域信道冲击响应为对应12个子载波的12点单位冲击，即长度为12的全1序列，经过12点DFT，对应为时域信道冲击响应。若两边等长度分别补零到128点，仍通过理想信道，其频域信道冲击响应如图1所示，经过128点FFT，对应时域信道冲击响应如图2所示。

对于两边补零后的频域信道冲击响应，可以看作是原频域信道冲击响应与一个理想矩形窗相乘。根据傅里叶变换性质，理想矩形窗的时域形式是辛格函数。因此经过补零后的频域信道冲击响应对应的时域信道冲击响应等于原时域信道冲击响应与一个辛格函数卷积。且补零点数越多，时域信道冲击响应越接近连续辛格函数。

所以，通过高低频域补零的过采样形式，会导致真实时域信道冲击响应的功率泄露到整个时域上，即辛格函数的旁瓣上包含了时域信道冲击响应的信息。对此时补零后的时域信道冲击响应进行时域去噪，将循环前缀长度外的点全部置零，会使真实时域信道冲击响应的部分信息丢失，对应亦会破坏时域去噪后的频域信道冲击响应，降低了信道估计的准确性。

3 基于虚拟子载波拓展的信道估计算法

对于小资源块情况，LTE信道估计需要增加数据点数以满足精度目标。但已证明，频域信道冲击响应在低频和高频进行补零，性能较差。频域信道冲击响应两边补充的额外信道冲击响应所在的频点，可以认为是虚拟子载波（Virtual Carrier，VC）[8-11]，所占的频点实际上是存在但并不被该业务占用。

定义利用LS算法估计的频域信道冲击响应（1）

其中NC为子载波数且为偶数。定义用于域变换的FFT点数为，即最接近NC的2的幂次方。

利用原频域信道冲击响应估计两边的虚拟子载波，得到补充后频域信道冲击响应：

（2）

式中，长度为，VL为预测的左方（低频）虚拟子载波，VR为预测的右方（高频）虚拟子载波。

其中，p=1， 2， …， Npad，Npad=（NFFT-NC）/2。

其中，q=1， 2， …， Npad，Npad=（NFFT-NC）/2。

簡单举例说明，若原1RB的频域信道冲击响应为，进行16点FFT，则补充后频域

信道冲击响应为。

其中补充的虚拟子载波分别有，，。在简单拓展基础上，还可以考虑进一步的优化拓展，如连续相位预测拓展、相位周期拓展等精细化处理。

4 数值仿真分析

为对不同的信道估计算法进行性能分析，使用计算机仿真进行数值对比分析。需要特别指出的是：在性能对比中使用的业务模型如FRC3.1以及FRC5.4等为IEEE标准文档中推荐使用的信道模型。上述信道模型与实测的无线信道衰落特性已非常贴切，可用于接收机算法的性能评估，与实际的接收机性能也能良好吻合。在对不同信道估计算法性能对比的过程中，一般文献也常常采用此类信道模型。

使用的信道估计算法包括：直接DFT、对称延拓、连续相位预测和连续相位周期延拓。信道衰落环境直接使用高斯白噪声环境及标准的EPA模型，仿真时间为2000子帧。

在短资源块业务模型FRC3.1场景下，不同信道估计算法吞吐量曲线如图3所示。由于连续相位预测和连续相位周期延拓增加了FFT点数，使其能够较好分辨2.08 μs的时偏和各种信道下不同径，减少了径功率泄漏的情况，连续相位预测算法和连续相位周期延拓算法性能相差不大，能抵抗各种信道下的不同频偏，均较直接DFT和对称延拓优。

随着调制阶数的提高，直接DFT和对称延拓性能越来越差，相对来说直接DFT更差。原因在于其FFT点数不同，直接DFT（12点）小于对称延拓（16点），远小于连续相位预测、连续相位周期延拓（128点）。点数越小，时间分辨率越低，功率泄漏越严重，时域去噪后损失的有用功率增加，使频域信号发生更严重的畸变，而低阶调制较高阶调制较能容忍星座图的畸变。

长RB业务模型FRC5.4场景下，不同信道估计算法吞吐量曲线如图4所示。在长RB情况下，对称延拓、连续相位预测、连续相位周期延拓三者性能相差不大，而直接DFT性能仍然较差。原因在于前三者均从300点补充到512点，而直接DFT点数没有增加。可见，FFT点数（时间分辨率）对性能影响较大。

5 结论

本文分析了LTE系统信道估计去噪算法的原理和关键问题，揭示了各种算法在不同信道条件下其固有缺陷。提出了连续相位预测和连续相位周期延拓算法能克服现有技术在短资源块情况下时间分辨率不足的内在缺陷，经仿真证明，性能较经典算法有明显优势。

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