基于参数化信道近似模型的MMSE信道估计算法的改进

基于参数化信道近似模型的MMSE信道估计算法的改进 http://www.paper.edu.cn - 1 - 基于参数化信道近似模型的MMSE信道估计算法的改进余波北京邮电大学电信工程学院，北京（100876） E-mail： yuzaiyang1980@163.com 摘要：针对正交频分复用(OFDM)系统中,由于信道中的多径时延为非整数倍采样间隔而造成的信道冲击响应(CIR)泄漏会恶化信道估计的性能，本文提出了一种新的改进最小均方误差 (MMSE)信道估计算法。该算法基于分数抽头延时信道近似（FTCA）的参数化信道模型。...

http://www.paper.edu.cn - 1 - 基于参数化信道近似模型的MMSE信道估计算法的改进余波北京邮电大学电信工程学院，北京（100876） E-mail： yuzaiyang1980@163.com 摘要：针对正交频分复用(OFDM)系统中,由于信道中的多径时延为非整数倍采样间隔而造成的信道冲击响应(CIR)泄漏会恶化信道估计的性能，本文提出了一种新的改进最小均方误差 (MMSE)信道估计算法。该算法基于分数抽头延时信道近似（FTCA）的参数化信道模型。经过仿真与分析表明，FTCA 信道模型能够有效地近似实际信道，同时降低信道自相关矩阵的维数，从而提高信道估计的性能。关键词：正交频分复用，最小均方误差，分数抽头延时信道近似（FTCA），信道冲击响应泄漏正交频分复用(OFDM)能够有效地对抗符号间干扰，是未来 4G 无线通信的关键技术之一[1]。OFDM结合高阶调制技术，如 16-QAM(正交调幅)，不仅可以提供高速率的数据传输，同时提高了频谱的利用效率。但是，这种方案需要精确的信道估计来完成相干解调。基于参数化信道模型的信道估计算法[2]-[4]依赖于特定的信道模型，通过估计信道模型中的某些特定参数来获取信道信息，从而比基于非参数化信道模型的信道估计算法具有更好的性能[4]。文献[4]中提出了一种基于稀疏多径心到的参数化信道估计算法，算法需要进行多径时延估计；当信道为时变慢衰落心到时，多径时延估计收敛缓慢；同时，当信道中多径数目较多时，多径时延估计甚至会出现错误，从而使得算法的应用具有很大的局限性。文献 [3]中提出了一种基于等效离散信道模型的最小均方误差（MMSE）信道估计算法，算法具有很好的性能，几乎可以达到理想信道估计的性能；同时，算法通过离散信道模型来表示实际信道，然后再估计离散信道模型中的一些参数来获取实际的信道信息，从而使得算法对实际信道模型的依赖大为降低，算法可以很好地适用于各种信道环境；然而，由于离散信道模型中时延抽头较多，因而算法复杂度高。而低秩MMSE算法[3]只利用了离散信道模型中信道能量较大的时延抽头，当系统信噪比(SNR)较小时，算法具有很好的性能；但 SNR较大时，算法在非采样间隔信道中性能有限，而且会产生错误文献[3]中全秩MMSE算法复杂度高而低秩MMSE算法在 SNR较大时会产生错误平台，以文献[4]中基于参数化信道模型的信道估计算法由于多径时延估计而引发的一系列问题，本文提出了一种新的基于参数化信道近似模型的信道估计算法。该算法基于分数抽头延时信道近似(FTCA)的参数化信道模型，此信道模型采用一个抽头间隔为分数倍采样间隔的抽头延时线结构的有限冲击响应(FIR)滤波器表示；然后，在此基础上，提出了一种新的适用于梳状导频 OFDM系统的MMSE信道估计算法。该算法通过利用 FTCA信道模型来近似表征实际信道，然后再估计此信道模型中的一些参数来获取实际的信道信息，从而有效消除了一般参数化信道估计算法[4]对实际信道模型的依赖，使得算法能够很好地适应于各种信道环境；同时，FTCA信道模型中的抽头延时是已知的，从而消除了一般参数化信道估计算法[4] 由于多径时延估计带来的一系列问题；其次，算法利用了 FTCA信道模型中的所有延时抽头，从而很好地抑制了低秩MMSE算法[3]由于 CIR泄漏而造成的错误平台问题；另外，相比较于等效离散信道模型时，FTCA信道模型中的时延抽头数目大为减少，从而有效降低了 http://www.paper.edu.cn - 2 - 算法实现的复杂度。仿真与分析表明，FTCA信道模型能有效地近似实际信道，同时降低信道自相关矩阵的维数，从而提高信道估计的性能。 1. OFDM 系统描述 OFDM系统的等效离散基带信号模型如图 1所示。图 1 OFDM系统的等效离散基带信号模型。其中，X(k)是频域发送数据；Y(k)为频域接收数据；h(n)是对实际信道 h(τ)进行频域采样后的信道冲激响应；w(n)是均值为 0 方差为 σ2 的复加性高斯白噪声(AWGN)。同时，假设 OFDM系统中子载波数目为 N，循环前缀(CP)的长度为 Ng，D/A与 A/D转换器具有带宽为 1/T的理想低通滤波器，1/T为奈奎斯特采样频率，T为采样间隔。此时，在接收端得到信号 Y(k)： ( ) ( ) ( ) ( ) 0,1,..., 1Y k X k H k W k k N= + = − (1) 其中，W(k)和 H(k)分别表示 w(n)与 h(n)的傅里叶变换，且互不相关。本文考虑的多径衰落信道[5]表示如下： ( ) ( ) 1 L i i i h hτ δ τ τ = = −∑ (2) 其中，L 为信道中多径数目；τi和 hi分别表示第 i 条路径上的时延和复增益。同时，假设 τ1 ＝0，τi (1 设计。另外，算法仅仅利用了信道中的频域相关性；如果再加入另一组滤波器来利用信道中的时域相关性，信道估计的性能将会更好[8]。此外，FTCA-MMSE虽然是基于梳状导频OFDM系统的信道估计算法，但它完全可以应用于其他导频方案的OFDM系统，并获得良好的信道估计性能参考文献 (1) 佟学俭, 罗涛. OFDM移动通信技术原理与应用. 北京：人民邮电出版社：2003.6 (2) Min Huang, Xiang Chen, Shidong Zhou, et al., Low-complexity subspace tracking based channel estimation method for OFDM systems in time-varying channels, in IEEE ICC’06, 2006, 10: 4618-4623. (3) Jan-Jaap van de Beek, Ove Edfors, Magnus Sandell, On channel estimation in OFDM systems, in proc. IEEE Vehicular Technology Conf. , 1995, 2: 815-819. (4) Baoguo Yang, Khaled Ben Letaief, Roger S. Cheng, et al., Channel estimation for OFDM transmission in multipath fading channels based on parametric channel modeling, IEEE Trans. Commun. , 2001, 49: 467-479. (5) 约翰.G普罗基斯, 数字通信, 第四版., 北京：电子工业出版社：2003，1 (6) S. M. Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory, Englewood Cliffs, Nj: Prentice-Hall, 1993. (7) Henrik Schober, Friedrich Jondral, Delay spread estimation for OFDM based mobile communication systems, in proc. European Wireless Conf., 2002, 625-628. (8) P. Höher, TCM on frequency-selective land-mobile fading channels, in Proc. Tirrenia Int. Workshop Digital Communications 1991, 317-328. Improved Channel Estimation Method Based On The Parametric Channel Approximation Model Yu Bo School of Telecommunication Engineering BUPT，Beijing（100876） Abstract An improved Minimum Mean Square Error（MMSE） channel estimation algorithm was proposed for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems with comb-type pilot arrangement, which could be adopted in the non-sample-spaced channel. This algorithm was based on a parametric channel approximation model. Though simulations and analyses, it is proved that the FTCA channel model could effectively approximate the real channel and reduce the dimension of the channel covariance matrix, and consequently, improve the channel estimation performance. Keywords：orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)；fraction taps channel approximation (FTCA)；channel estimation. 作者简介：余波，男，1980年生，硕士研究生：研究方向为宽带无线通信系统。

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