LTE OFDMA

LTE OFDMA系统基于最大径选择的信道估计算法

作者：卫文娟 陶 建 李平安

来源：《现代电子技术》2010年第01期

摘 要:针对3GPP LTE下行链路提出了一种有效可行的信道估计方法,其原理是首先在时域用LS算法估计出信道的冲击响应,然后通过忽略信道响应能量较小的一些径,这样在进一步抑制噪声干扰的同时还有效控制了算法复杂度;最后,将得到的经过径选择的时域信道冲击响应向量变换至频域,得到用于最终信号检测的频域信道响应向量。仿真结果表明,该改进算法与传统的LS算法相比,在保证低复杂度的同时,提高了信道估计精度。 关键词:3GPP LTE;信道估计;LS;最大径选择 中图分类号:TN911文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)01-069-03

Channel Estimation Algorithm Based on Dominant Taps Selection for LTE OFDMA WEI Wenjuan,TAO Jian,LI Ping′an

(Information Engineering College,Wuhan University of Technology,Wuhan,430070,China) Abstract:A new channel estimation method is proposed for channel estimation in the 3GPP LTE downlink.The channel estimation is first implemented in the time-domain before selecting the

dominant channel taps to improve the Signal to Noise Ratio (SNR) by ignoring the taps corresponding to the lower powers.In the frequency-domain,the transformed channel data corresponding to the pilot positions are further chosen to implement a channel interpolation before signal detection.Simulation results show that the proposed method outperforms the traditional LS approach in the frequency-domain,without increase in the computational complexity.

Keywords:3GPP LTE;channel estimation;LS;dominant channel taps 0 引 言

第三代合作伙伴计划(Third Generation Partnership Program,3GPP)于2004年年底开始了通用移动通信(Universal Mobile Telecommunication System,UMTS)技术的长期演进(Long Term Evolution,LTE)项目,目的是提高UMTS通信标准以跟进未来移动通信技术要求。在UMTS Release 8的空中接口标准中,单载波频分多址接入(SC-FDMA)和正交频分多址接入(OFDMA)分别作为物理层上行和下行的关键技术之一被采用[1,2]。OFDM是一种数字多载波调制技术,其

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原理是将数据串并变换后调制到一组等小间隔的正交子载波上,这一过程可通过离散傅里叶变换(IFFT)实现。OFDMA尤其适用于频率选择性信道和高数据速率传输。

目前,针对OFDM系统的信道估计方法已得到广泛研究[3]。其中,基于导频的传统LS信道估计方法因其低复杂度且不需要任何信道的先验信息,实现简单而被广泛应用。但LS算法的性能较差,受噪声影响较大[4]。为了提高估计精度,文献[5]提出了一种降低时域信道冲击响应采样率的方法,以减少噪声干扰。本文基于LS算法和降采样思想,为3GPP LTE下行通信提出了一种改进的信道估计方法。首先,对接收到的时域信号做一次LS估计,选择其中能量较集中的几个径抽头,而剩余能量低的径主要是噪声成分,将这些信道抽头置0,就可在一定程度上抑制噪声干扰;然后将处理后得到的时域信道矩阵变换至频域,采用低复杂度的频域均衡来检测信号。 1 系统描述

在LTE物理层规范中,除非特殊说明,各种域的时域大小表示为时间单位Ts=1/(1 500×2 048)的倍数,一个无线子帧的长度可以表示为Tf=307 200×Ts=10 ms。LTE支持两种类型的无线帧结构:类型1,适用于FDD模式;类型2,适用于TDD模式[6]。本文是基于类型1进行的仿真研究。 图1给出了LTE FDD模式下的OFDM调制原理框图。映射到星座图后的串行输入复信号ai(i=0,1,…,N-1) 经过串/并变换后调制到N个正交子载波上,各子载波间间隔为Δf,其后对这个N点的符号序列进行IFFT变换来实现OFDM调制,这样就得到一个时域的OFDM符号。为了抑制OFDM符号间干扰(ISI)及码间干扰(ICI),信号传送前须将每个OFDM符号的后面NCP点的数据复制并添加到该OFDM符号的前面,这一部分被称为循环前缀(CP)。循环前缀的长度选取要大于多径信道的最大时延,这样就可有效抑制因多径时延造成的ISI。添加了循环前缀的传输序列s(k)经过无线信道,到达接收端,经过采样频率为1/Ts的下采样后得到序列r(k),接着依次进行去循环前缀,OFDM解调(FFT变换),信道估计和信号检测。表1给出了系统的调制参数。 图1 OFDM调制原理图 表1 LTE OFDM调制参数 名称参数 帧长 /ms0.5 子载波间隔 /kHz15

系统带宽 /MHz1.252.55101520

抽样频率 /MHz1.923.847.6815.3623.0430.72 FFT点数1282565121 0241 5362 048

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被调制子载波761513016019011 201

图2为LTE时频域帧结构示意图。当采用常规CP时,一个时隙(0.5 ms)符号包含7个OFDM符号。由表1可知,每个OFDM符号中,N个子载波中只有中间Nm个子载波用来调制有效数据,剩余对应于中间直流数据以及两边用做保护带数据的子载波并未得到有效调制。如图2所示,每个LTE子帧中时域上插有两列导频符号:第1参考符号和第2参考符号,它们分别位于每个时隙的第1个OFDM符号和倒数第3个OFDM符号中。在频域,每6个子载波插入一个参考符号,这个数值是在信道估计性能和RS开销之间求取平衡的结果。 图2 LTE OFDM帧结构

在接收端,时域下的接收信号可以表示为: r=FHAFLh+n (1)

其中:h是L×1的时域信道冲击响应向量;FL是N×L的傅里叶矩阵,如式(2)所示;A是N×N的对角矩阵,对角上的元素是待发送的频域信号;FH是N×N反傅里叶矩阵;n则是一个N×1向量,代表加性高斯白噪声。 FL=111…1 1W1W2…W2(L-1) 1W2W4…W3(L-1)

1WN-1W2(N-1)…W(N-1)(L-1) (2) 其中: W=e-j2π/N (3) 2 算法描述

2.1 最小二乘法信道估计

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式(1)中接收到的时域信号还可以表示为: r=Sh+n (4) 其中: S=FHAFL(5) A=Ad+Ap(6)

式中:Ad和Ap为两个N×N对角矩阵,其对角元素分别是映射到星座图的待传输复信号和导频信号。假设待传输的复信号为统一分布于16QAM星座图上的复信号,那么可以做式(7)所示的假设: (7)

用LS准则估计出信道时域冲击响应向量h: =(SHS)-1SHr (8)

将式(7)代入式(8)可得: =(FHLAHpApFL)-1FHLAHpFr (9)

2.2 最大径算选择算法

将式(9)得到的时域信道响应向量经过FFT变换到频域,就可以得到最终用于频域信号检测的信道响应。显然,这样得到的频域信道响应的性能好坏取决于时域的LS估计。由于大部分时域信道冲击响应径抽头都会受到高斯白噪声的影响,那么考虑将一些功率弱的径置0,而只选取功率最大的J条径,就可以起到抑制高斯白噪声的作用,因为被置0的一些弱径上的功率成分很大程度来自噪声干扰。本文就是基于这一思想提出改进算法。图3给出了运用最大径选择算法的系统框图。对于径数J的确定要视仿真环境而定。这里选取3GPP空时信道多径数的两倍进行仿真[7-10]。

用n0,n1,…,nJ-1表示J条被选取的功率最大径,则有:

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hdct(n)=(n),n∈β

β={nn=n0,n1,…,nJ-1}(10)

再进行式(11)的运算就可以得到频域的信道响应向量,并用于最后的频域信号检测。 Hdct=FLhdct (11)

图3 最大径选择 3 仿 真

本文利用20 MHz带宽进行仿真,表2和表3列出了仿真参数。 表2 仿真参数 名称参数 系统带宽20 MHz 采样频率30.72 MHz FFT 点数2 048

CP长度4.69 μ s×65.10 μ s×1 被调子载波数1 201 调制方式16QAM 表3 信道参数

功率时延谱 /dB0.0-1.0-9.0-10.0-15.0-20.0 相对延时 /ns03107101 0901 7302 510

对基于LS的降采样信道估计算法和改进算法同时进行仿真以做比较。图4和图5分别为不同车速下两种算法仿真结果。结果显示针对LTE OFDM系统提出的改进的信道估计算法在

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一定程度上提高了估计性能,降低了误码率,且在高速环境下性能提高更明显。同时,由于该算法将某些径置0使得后面的傅里叶矩阵相乘运算更简单,从而降低了运算复杂度。 图4 车速为30 km/h时的误码率比较 图5 车速为120 km/h时的误码率比较 4 结 语

基于对LTE OFDM系统标准的研究,本文在传统LS估计方法的基础上提出了基于最大径选择的改进算法。仿真结果表明基于最大径选择的LS信道估计方法通过进一步消除噪声干扰,在保证低运算复杂度的前提下提搞了估计性能,降低了系统误码率。 参考文献

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