基于IEEE802.16m的MIMO信道估计研究

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15
A Study of MIMO Channel Estimation Techniques Based on IEEE 802.16m Standard
Wang Caifen, Li Pingan
(Information Engineering School,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070) Abstract: This paper presented MIMO channel estimation techniques based on IEEE 802.16m. first ,we introduced the development of Wimax in and abroad ;then in the main part,we explained three basic types of channel estimation algorithm ;at the last , we according to the different structure of the pilot proposed a channel estimation algorithm based on the overlap pilot ,and analysis of the pilot quantity to the influence of each method according to the results of simulation. Key words: 802.16m; MIMO; Channel Estimationkey
-4-
3.1 基于重叠导频的信道估计
115 在 MIMO 系统的信道估计中，对于每根接收天线来说信道估计的过程都是完全相同的， 因此只需要考虑其中 1 根接收天线的情况即可。 在 OFDM 符号的子载波数为 K，发送天线数量为 NT 的系统中，接收信号可以表示为:
NT
Y X iHi N
-1-
各种衰落的影响， 因此必须对收到的信号进行补偿后才能恢复出原始发送信号， 而想要得到 信道状态信息就要借助信道估计。 所以提高无线通信的性能需要依靠的技术中最重要的一项 便是信道估计。 实际系统中， 为了提高系统性能往往采用基于导频的信道估计。 基于导频的信道估计是 45 在发送端的适当位置插入导频， 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(如内插、滤波、变换等)获得所有时段的信道信息。导频的选择与插入是实现基于 导频的信道估计的基础，目前，使用较多的导频插入方法主要有块状导频、梳状导频和菱形 状导频[4]，如图 1。




噪比较低时，但是 MMSE 算法需要进行矩阵求逆运算，当系统的子载波数目 N 增大时，矩阵 的运算量变得非常大。为了降低 MMSE 估计算法的复杂度，可以将 ( XX ) 由它的期望 90
H 1
E ( XX H ) 1 来代替。可以得到简化的 MMSE 估计为：


-3-
ˆ ˆ H I ]1 H MMSE RHH [ RHH LS SNR
2.3 基于 DFT 算法
(5)
ˆ 为经过 LS 估计的信道频域响应，系统子载波数为 N，则对 H ˆ 进行 N 点 IDFT 变 令H ls ls
换到时域： 95
1
~ ˆ F 1H h ls LS
1 ( m 1)(n 1)
(6)
1 j 2 N , m, n 1,2,, N 。 e 式(4.15)中 F 为 N 点 IDFT 变换矩阵， 其元素为 F N ˆ 中 L 条有效径的能量，其余径置零，再进行 N 点 DFT 变换，得到最终的信道频域响 保留 h
（1）
其中， h(n) 为信道冲激响应， n 0, , L 1 ，L 是信道冲激响应的长度。在完成 OFDM
Ri ,k H i ,k S i ,k Wi ,k ，
k 0,1, N 1
（2）
其中，i 表示接收到的第 i 个 OFDM 符号，k 0,1, N 1为一个 OFDM 符号中的子载波 号；H i ,k 和Wi ,k 为第 i 个 OFDM 符号的 k 子载波上的信道传输函数和附加的加性高斯白噪声。 经过 FFT， 假定提取到的导频序列为 X (m) ，m 0,1, N 1 ,它位于传输序列 X ( k ) ， 75
1 2 H 1 1 ˆ ˆ ˆ H MMSE RHH RHH LS H LS RHH [ RHH n ( XX ) ] H LS
2
(4)
ˆ 是经过 LS 估计得到的信道估计值， 表示高斯白噪声的方差。并且 其中 H LS
H RHH E HH H ， RHHLS E HH LS 。MMSE 估计算法的性能要好于 LS 算法，特别是在信
20
25
0 引言
随着人们对数据业务需求的提高，全球无线通信正在向着移动化和宽带化的方向发展。 移动通信向着提供高速数据业务的方向演进， 而一些传统无线宽带技术则也开始提供移动能 力的支持。IEEE802.16m 技术是面向 ITU IMT-Advanced 需求设计的，并已成为 4G 的候选 30 技术之一，它支持 TDD 和 FDD 同种双工方式。16m 系统工作在 6GHz 以下的频段，可在移 动和固定带宽业务的许可频段部署，并支持灵活的带宽，如 5～40MHz，通过单个或多个 RF 载波支持这些带宽。[1] 2011 年 4 月，国际电气与电子工程师学会（IEEE）批准 802.16m 成为下一代 WiMax 标准。 802.16m 标准将支持超过 300 Mb/s 的下行速率。 IEEE802.16 m 又称为 WirelessMAN-Advanced 或 WiMax-2， 是继 802.16e 后的第二代移动 WiMax 国际 35
频率
时间
频率
时间
频率
时间
50
（a）块状导频 图1
（b）梳状导频 几种常用的导频插入方法
（c）菱形状导频
1.1
IEEE 802.16m 中的导频结构
在 OFDM 系统中，导频信号的插入是时域和频域两维的。为了提高信道估计的精度，
可以插入较连续的导频， 但最终导频和设计是信道估计精度和开销的折中。 导频信号之间的 55 间隔取决于信道相干时间和相干带宽。在时域上，导频的间隔应小于相干时间；频域上导频 的间隔应该小于相干带宽[5]。因而导频图样是导频设计的重点。 针对流数不同，设计相应的导频模式。根据需求 802.16m 最高支持 350km/h，因而信道 时延扩展不大于 5s ，则导频间隔在时域上不应超过 3 个 OFDM 符号，频率上不应超过 9 个子载波，具体的 1 流、2 流和 4 流的导频图样如图 2。
为来自第i根发送天线上的发送信号kk为来自第i根发送天线的频域信道响应k110其中为将来自nt根发送天线的发送信号排列成分块对角阵125对于重叠导频的信道估计我们需要假设无线信道在连续p个ofdm符号的时间长度内保持不变或者近似不变于是对于式10中的符号又可以定义为为连续p个ofdm符号的接收信号矢量pk1nt根发送天线上连续ofdm符号的发送信号分块对角阵为连续p个ofdm符号的加性高斯白噪声pk1根据式10可以得到ls估计的信道频域响应ls11135其中的广义逆矩阵
i 1
T
（9）
其中， Y Y (1) Y ( k ) 为接收天线上的接收信号（K×1 维）；
120
X i (1) Xi 0
为来自第 i 根发送天线上的发送信号（K×K 维）； X i (k ) 0
T
T Hi Hi (1)Hi (k ) 为来自第 i 根发送天线的频域信道响应（K×1 维）；
10
1
10
0
LS估 计 算 法 LMMSE估 计 算 法 基 于 DFT的 估 计 算 法
10
-1
MSE
10
-2
10
-3
10
-4
0
5
10
15 SNR
20
25
30
图 3 三种信道估计算法的 MSE 性能比较 由仿真结果可以看到，基于最小均方误差(MMSE)准则的 LMMSE 算法性能明显要好于 LS 算法。而基于 DFT 的信道估计算法通过对噪声的抑制也比 LS 算法的性能有所提升。 110
基于 IEEE802.16m 的 MIMO 信道估计研究
王彩芬 ，李平安
5
**
武汉理工大学信息工程学院，武汉，430070； 摘要：本文给出了基于 IEEE802.16m 的 MIMO 信道估计算法。首先对 WIMAX 在国内外的 发展情况作了简要的介绍； 然后文章主体部分介绍了三种基本的信道估计算法， 最后根据导 频结构的不同提出了基于重叠导频的信道估计， 并且根据仿真结果分析了导频数量对各自方 法的影响。 关键词：802.16m ； MIMO； 信道估计
3 基于 IEEE802.16m 的 MIMO-OFDM 信道估计
在多天线 OFDM 系统中，接收端必须估计出各个发送和接收天线间的信道才能完成相关 检测， 因此信道估计的精确度对于多天线 OFDM 系统的检测算法的性能至关重要。 多天线 OFDM 系统的信道估计的方法也要比单天线的更加复杂[5]。
利用 Least Square(LS)准则，即求
min (Y XH LS ) H (Y XH LS )

~ ˆ H H LS (0) X 1Y Y (0) X (0)
80 2.2 MMSE 算法

,得到信道估计方法。
~ H LS (1) Y (1) X (1)
T ~ H LS ( N 1)
1 导频结构设计
40 我们知道在移动通信系统中， 接收端接收到的信号在经过无线信道传播的过程中会受到
作者简介：王彩芬，(1978-)，女，在读硕士研究生，研究方向：通信与信息系统 通信联系人：李平安(1965-)，男，教授，主要研究方向：宽带无线与移动通信. E-mail: pingan_liwhut@

（3）
Y ( N 1) X ( N 1)
T
基于导频的信道估计算法的性能主要取决于导频点处的估计值的精度。 基于最小均方误 差(MMSE)准则的估计算法对于子载波间干扰和高斯白噪声有很好的抑制作用，所以 MMSE 估 计算法比 LS 估计算法的性能更优。 MMSE 估计可以表示为： 85
~
2.1
LS 算法
假设 OFDM 时频同步已完成， 发送的 OFDM 符号用 s(n) 表示， 接收 OFDM 符号用 r (n) 表示，
这样，由于信道的影响，接收信号与发送符号之间的关系为
r (n) h(n) s(n) w(n)
70 时频同步后，将接收 OFDM 符号经过 FFT 变换到频域得到
LS
应估计值：
1 ˆ 1 ˆ H DFT FDF H LS H FDF H LS
(7)
100
如果在抑制噪声处理时采用保留循环前缀长度的方法，则信道估计的 MSE 为：
MSEDFT
2.4 三种算法的性能仿真分析
N cp N SNR
(8)
接下来是对本文介绍的几种信道估计算法的仿真验证。仿真时采用的系统参数为:5GHz 载频，40MHz 系统带宽，25ns 采样间隔。OFDM 系统有 128 个子载波，循环前缀长度为 32 个 105 采样点，调制方式为 QPSK。导频结构采用的是块状导频。
[2] 标准。 为在有限的带宽下， 提供更高的系统容量和频谱利用率， 必须采用高效的通信技术，
因此 MIMO（Multiple-In Multiple-Out,多入多出）技术成为 16m 必不可少的关键 技术。MIMO 是一种基于多发送天线多接收天线的传输技术，运用先进的无线传输与信号 处理技术和无线信道的多径传播，提高无线通信的质量与数据速率。[3]
6个符号 1 1 1 2 1 2 1 4 3 2
2
2
4
1
1
1
1 2
1 2
4
Hale Waihona Puke 1231
1 1流
1 2 2流
1 2
3
2 4流
1
4
60
图2
1 流、2 流和 4 流 4 的导频图样
-2-
2 信道估计算法
OFDM 信道估计的目的就是通过信道估计算法估计出子载波信道上的传输函数 H i ,k ，从 而利用估计出的信道传输函数 H i ,k 和接收到的符号 Ri ,k ，解调发送信号。 65
k 0,1, N 1 中，再令 H H (0)
H (1) H ( N 1) 表示导频子载波的信道响应。
T
接 收 端 得 到 的 导 频 信 号 序 列 为 Y Y (0)
Y (1) Y ( N 1) 将 其 表 示 成 向 量 形 式 为
T
Y HX W ，其中，W 表示在导频子载波频段内接收到的高斯噪声向量。