CN1980201A - 多天线正交频分复用系统的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高多天线OFDM信道估计精度的导频序列发送、接收方法。当导频符号的保护间隔不够时，经多径信道传播后的接收符号中存在符号间干扰。为降低干扰对信道估计的影响，提出在不同天线间发送循环移位的线性调频序列；接收处理，利用该序列的对称性特征，删除符号间干扰较多的前半部分序列；同时，把接收序列的后半部分复制到原前半序列的位置并重建接收序列，这减小了导频序列的符号间干扰；最后，利用重建序列作信道估计。利用该方法进行信道估计可提高估计精度和系统误比特率性能。

Description

多天线正交频分复用系统的信道估计方法

技术领域

本发明涉及无线信息传输领域，特别是采用正交频分复用(OFDM)技术的无线局域网、固定无线接入、移动通信、地面数字电视广播等信息传输系统和标准。更具体地，本发明涉及一种多天线(MIMO)OFDM系统的信道估计方法。

背景技术

随着无线网络、多媒体技术和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。在新一代无线系统中，将广泛采用一些新技术，如正交频分复用(OFDM)、多天线(MIMO)等。

OFDM是在频域把信道分成许多正交子信道，将整个宽带频率选择性信道分成相对平坦的子信道，同时，在每个OFDM符号间插入循环前缀(CP)作为保护间隔(GI)，大大减小了符号间干扰(ISI)。由于OFDM具有抗多径能力强等优点，它在xDSL、DVB、DAB和WLAN、IEEE 802.16等系统中得到成功应用。目前，第三代移动通信标准化组织(3GPP)的长期演进计划(LTE)中，也把它作为下(上)行的关键传输技术。

MIMO系统是指在发送和接收端使用多元天线阵列，这样做能显著提高系统容量和无线传输链路质量。利用MIMO技术提高系统容量和传输质量的方式包括两类：空分复用和空间分集。空分复用的典型应用实例是贝尔实验室提出的分层空时结构(BLAST)，把整个数据流分解成若干个单独的子数据流从多幅天线并行发送；在接收天线大于或等于发送天线数时，BLAST的信道容量与发送天线数成线性关系。空间分集是利用发送、接收天线间的多径传播来提高系统鲁棒性；又包括接收分集和发送分集，如空时格码和空时分组码等。

MIMO与OFDM相结合的MIMO OFDM传输技术具有两者的优点，它既通过OFDM调制把频率选择性MIMO衰落信道分解成一组并行平坦衰落信道，又利用MIMO技术提高了系统容量，适用于传输高速率、高质量的多媒体业务。

MIMO OFDM系统中，为恢复发射符号，接收端需正确估计每个发送、接收天线对之间的信道增益，这需通过信道估计完成。当OFDM符号的保护间隔小于多径信道最大时延扩展时，OFDM符号间存在严重的符号间干扰(ISI)，这些干扰也存在于用于信道估计的导频序列之间，导致信道估计不准确。为此，本发明提出一种多天线(MIMO)OFDM系统的信道估计方法，可以减小用于信道估计的导频符号之间的干扰，达到提高信道估计精度及正确恢复发射信号的目的。

参考文献列表：

[1]3GPP R1-050590，NTT DoCoMo，Physical channels andmultiplexing in evolved UTRA downlink，RAN1 Ad Hoc on LTE

[2]3GPP R1-050591，NTT DoCoMo，Physical channels andmultiplexing in evolved UTRA uplink，RAN1 Ad Hoc on LTE

[3]YeLi等人发表在IEEE JSAC，19(3)，1999上的文章Channelestimation for OFDM systems with transmitter diversity in mobilewireless channels

[4]Cioffi，J.等人发表在IEEE trans.comm.，vol.42，no.10，1994上的文章A data-driven multitone echo canceller

[5]Kim，D等人发表在IEEE JSAC，vol.16，No.9，1998上的文章Residual ISI cancellation for OFDM with application to HDTVbroadcasting

[6]3GPP R1-050622，Alcatel，Ericsson，Fujitsu，et al.，Principlesfor the Evolved UTRA radio-access concept，RAN1 Ad Hoc on LTE

发明内容

在OFDM系统中，当保护间隔时间长度小于多径信道最大时延扩展时，OFDM符号间会存在干扰。对用于信道估计的训练符号而言，干扰将影响信道估计精度，进一步降低了系统误比特率性能。

因此，本发明的目的在于提供一种保护间隔不足的OFDM信道估计方法。

为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种多天线正交频分复用系统的信道估计方法，利用前半部序列与后半部序列相同的导频序列进行信道估计，所述方法包括以下步骤：在发射端，设置呈循环移位关系的导频序列，并对导频序列进行IFFT变换后发射；在接收端，删除接收的导频序列的前半部分并复制接收的导频序列的后半部分；把复制序列插入接收的导频的前半部位置以重建导频序列；对重建序列进行FFT变换；以及根据发射的导频序列及重建的导频序列，估计信道增益系数。

优选地，在发射端的每幅天线上设置循环移位的导频序列。

优选地，所述导频序列为线性调频序列。

优选地，在将导频序列发送到正交频分复用载波端时，在正交频分复用载波端的偶载波上传送线性调频序列，而在奇载波上传送数据零。

优选地，所述导频序列为：

其中A₀为幅度，n为载波序号，N为总载波数。

优选地，利用最小二乘法估计信道增益系数。

优选地，利用最小均方差法估计信道增益系数。

为克服干扰对信道估计的影响，本发明提出在不同发射天线间采用改进的线性调频序列，该序列发送到OFDM载波上时，OFDM的偶载波上传送线性调频序列，奇载波上传输零。且该序列有以下特征：(I)DFT变换后恒定幅度；序列的前半部与后半部相同。同时，不同天线之间采用不同导频序列，且这些序列之间互为循环移位。

因采用的信道估计序列的前后两半部分相同，它们经信道传输后，接收序列也应相同；但当保护间隔不足时，训练序列受到ISI的影响，且大部分ISI存在前半序列中。若丢弃接收序列的前半部分，则可消除ISI；同时，把接收序列的后半部分复制到原前半序列的位置，则可恢复全部的接收序列；最后，利用发射序列和重建序列作LS估计，可提高信道估计精度。

因重建的导频序列受到的ISI较原接收导频序列大大减小，利用它获得的信道估计精度也相应提高，保证了正确的符号恢复。

附图说明

下面将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1是示出了可应用根据本发明的信道估计方法的MIMO OFDM系统的方框图；

图2是示出了已有导频序列的示意图；

图3示出了传统最小二乘(LS)估计方法的示例；

图4示出了用于本发明信道估计方法的导频序列的示例；

图5是用于解释根据本发明的信道估计方法的原理的示意图；

图6是示出了根据本发明的信道估计方法的步骤的流程图；

图7示出了多径衰落信道的功率分布的示例；以及

图8是用于比较本发明与现有技术的效果的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。所描述的各种数值并非用于限定本发明，这些数值可以根据本领域普通技术人员的需要进行任何适当的修改。

图1是示出了可应用根据本发明的信道估计方法的MIMO OFDM系统的方框图。所示MIMO OFDM系统具有NT幅发射天线和N_R幅接收天线。在发送端，符号流经空时编码或复用模块101把数据符号编码或复用到每个天线支路端，利用插入导频模块102～102’在每支路数据中插入导频序列，把数据、导频符号经逆离散傅氏变换IDFT模块103～103’调制为多载波信号，经加入循环前缀模块104～104’形成OFDM信号，并经天线105～105’发射到信道。

在接收端，移出循环前缀模块107～107’把每天线支路接收到的OFDM符号中的CP删除，并利用傅氏变换DFT模块108～108’对OFDM符号进行解调。之后，在信号处理模块109完成空时译码、信号恢复等操作。信道估计模块110利用一般的方法估计出多天线信道增益系数，它包括重建导频110-1、DFT变换110-2和估计110-3等模块。

假设第p幅天线的发射信号为X_p[n，k]，则第q幅天线接收到的第n个载波(共N个载波)的第k个符号可以由下面的公式(1)表示

$Y_q[n,k]=\underset{p=0}{\overset{N_r-1}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{q,p}[n,k]X_p[n,k]+W_q[n,k]---\left(1\right)$

式中，H_p，q[n，k]是第p幅发射天线和第q幅接收天线之间的频域信道系数，W_q[n，k]是频域噪声。写成如公式(2)所示的矢量形式

Y_q＝H_qpX_p+W_q     (2)

其中，频域信道向量H_qp＝h_qpF，F为FFT阵，h_qp＝[h_qp(0)…h_qp(L-1)]为L阶多径信道，代入式(2)重写为公式(3)

Y_q＝hFX+w_q       (3)

令Q＝FX，则得到公式(4)

Y_q＝hQ+W_q        (4)

信道估计的目的是通过发射接收端已知的训练序列(导频)，估计出信道脉冲响应，即由式(4)求解h，根据文献[3]公开的内容可以得到其最小二乘解，如下面的公式(5)所示

h_q＝(Q^HQ)⁺QY_q    (5)

这里，“^H”表示厄尔米特转置，“⁺”表示伪逆。

用于MIMO OFDM信道估计的已有训练序列有多种，如IEEE802.11n采用长为2个OFDM符号的长训练符号(T1～T2)，它与前面的短训练符号之间插入保护间隔抗GI符号间干扰，如图2中的(a)所示。3GPP LTE提案中也提出了一些导频序列结构，如图2中的(b)所示。

但是，当保护间隔时间长度小于多径信道最大时延扩展时，将在导频符号之间以及数据符号之间造成ISI。对用于信道估计的训练符号而言，干扰将引起信道估计误差，进一步影响到数据符号恢复的正确性。

图3示出了在上述情况下采用最小二乘(LS)信道估计器的估计方法，先发送导频序列，该序列经信道传输到接收端，接收端利用接收的导频信号和存储在接收端的该导频信号，利用最小二乘(LS)方法进行信道估计。

为降低导频序列的峰值平均功率比，文献[4]提出了如下具有恒包络特性的训练序列，如公式(6)所示

S(n)＝A₀exp(jπn²/N)，n＝0，…，N-1    (6)

式中，A₀为幅度，n为载波序号，N为总载波数。该信号为雷达技术中常用的线性调频(chirp)信号，它具有经(I)DFT变换后幅度恒定的特点。为提高信道估计性能，文献[5]将其改进为下面的公式(7)表示的序列

该序列具有以下特征：其前半部序列与后半部序列相同，如图4中的(a)所示。

本发明将其推广应用到MIMO OFDM系统中。注意到在多天线系统中，为减小干扰，不同天线间的导频符号一般设计为正交或时移正交。为此，本发明设计不同天线之间采用周期N/2N_T的循环移位的导频序列，如图4中的(a)和(b)所示，其中(a)表示第一幅天线发射的导频序列，(b)表示第二幅天线发射的导频序列。

图5是用于解释根据本发明的信道估计方法的原理的示意图。基于改进线性调频序列的上述特征，本发明所提出的信道估计的原理为：因序列的前后两半部分相同，它们经信道传输后，接收序列也应相同；但当保护间隔不足时，训练序列受到ISI的影响，且大部分ISI存在前半序列中。若丢弃接收序列的前半部分，则可消除ISI；同时，把接收序列的后半部分复制到原前半序列的位置，则可恢复全部的接收序列；最后，利用发射序列和重建序列作信道估计，可提高估计精度。

图6是示出了根据本发明的信道估计方法的步骤的流程图。

首先，在步骤601，在发射端，设置呈循环移位关系的导频序列(在本实施例中，选用上述改进线性调制序列，但本发明并不局限于此，只要导频序列的前后两半部分相同)。然后，在步骤602，对导频序列进行IFFT变换后发射。在步骤603，在接收端，删除接收导频序列的前半部分。然后，在步骤604，复制接收导频序列的后半部分，并在步骤605，把复制序列插入接收导频的前半部位置。然后，在步骤606，对重建序列进行FFT变换。最后，在步骤607，根据发射导频序列及重建导频序列，估计信道增益系数。

因重建的导频序列受到的ISI较原接收导频序列大大减小，利用它获得的信道估计精度也相应提高，保证了正确的符号恢复。

此外，在MIMO OFDM系统中，在发射端的每幅天线上设置循环移位的导频序列。而且，可以利用最小二乘法、最小均方差法等多种方法来估计信道增益系数。

下面，将参照图7和图8，对本发明和现有技术进行比较。图7示出了多径衰落信道的功率分布的示例；以及图8是用于比较本发明与现有技术的效果的曲线图。

通过仿真实验，验证本发明所提出的信道估计方法的性能，设系统参数为：

·2根发射2根接收天线

·载频5GHz

·系统带宽20MHz

·每个OFDM符号总载波数N＝64

·QPSK调制，未编码

·信道多普勒频率80Hz

·9径信道，每径功率呈指数分布，如图7所示，将每径功率对第一径进行归一化，由此得到每径的功率依次为：[exp(0)exp(-1)exp(-2)exp(-3)exp(-4)exp(-5)exp(-6)exp(-7)exp(-8)]。

图8示出了所得到的仿真结果。可以看到，当CP＝0时，即OFDM符号间无保护间隔，系统会存在严重的符号间干扰，采用本发明提出的方法进行信道估计所获得的系统误符号率SER性能优于未重建导频序列的一般方法。当CP＝4时，相对于9径的信道，OFDM符号间保护间隔也不足够，符号间也存在干扰，这时，采用本发明提出的方法进行信道估计所获得的系统SER性能仍优于一般方法。

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。

Claims (7)

1、一种多天线正交频分复用系统的信道估计方法，利用前半部序列与后半部序列相同的导频序列进行信道估计，所述方法包括以下步骤：

在发射端，设置呈循环移位关系的导频序列，并对导频序列进行IFFT变换后发射；

在接收端，删除接收的导频序列的前半部分并复制接收的导频序列的后半部分；

把复制序列插入接收的导频的前半部位置以重建导频序列；

对重建序列进行FFT变换；以及

根据发射的导频序列及重建的导频序列，估计信道增益系数。

2、根据权利要求1所述的多天线正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于在发射端的每幅天线上设置循环移位的导频序列。

3、根据权利要求1或2所述的多天线正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于所述导频序列为线性调频序列。

4、根据前述权利要求之一所述的多天线正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于在将导频序列发送到正交频分复用载波端时，在正交频分复用载波端的偶载波上传送线性调频序列，而在奇载波上传送数据零。

5、根据前述权利要求之一所述的多天线正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于所述导频序列为：

其中A₀为幅度，n为载波序号，N为总载波数。

6、根据前述权利要求之一所述的多天线正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于利用最小二乘法估计信道增益系数。

7、根据前述权利要求之一所述的多天线正交频分复用系统的信道估计方法，其特征在于利用最小均方差法估计信道增益系数。

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