（通信与信息系统专业论文）lte系统下行链路的信道估计研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 l t e 是未来1o 年内最具影响力的宽带移动通信标准之一，为了提高数 据传输效率和频谱利用率，l t e 系统下行链路采用了正交频分复用( o f d m ) 技术。信道估计是o f d m 系统的关键技术，估计的精度直接影响整个系统的 性能，本文主要研究常见的信道估计算法在l t e 下行链路的应用。 首先对l t e 的启动背景和物理层做了一个简单的介绍，讲述了o f d m 和 m i m o 技术的基本原理。接下来讨论了无线信道的基本特性和一些重要的物 理参数，并且分析了它们对无线通信系统的影响。然后对常见的导频位置信 道估计算法做了理论推导，包括l s 估计算法，基于d f t 的信道估计算法和 l m m s e 信道估计算法，同时介绍了一些常见的插值算法，并对这些常见的 信道估计算法做了仿真分析。 本文把重点放在基于d f t 的信道估计算法在l t e 下行链路的应用研究 上，也就是第四章的内容。第四章首先提出了一种基于d f t 的信道估计算 法在l t e 下行链路的应用方案，然后对基于d f t 的信道估计算法的不足之 处做了分析和改进。比较了适用于l t e 系统的两种抑制边缘效应的算法一一 重复边缘值法和部分子载波替换法。通过仿真得出重复边缘值法性能更好， 并将其应用到l t e 下行链路中。接下来提出了一种改进的时域加窗算法，仿 真结果表明改进算法有一定的性能提升，而且算法实现简单，适合l t e 下行 链路。最后对l t e 下行多天线系统做了性能仿真分析，仿真结果进一步验证 了本文所提出方案的可行性。 关键词：长期演进；正交频分复用；信道估计；边缘效应；时域加窗。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t l r ei so n eo ft h em o s ti n n u e n t i a lb r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d si nt h en e x t1oy e a r s i no r d e rt oi n c r e a s ed a t at r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y a n d s p e c t r a le f f i c i e n c y ，l t es y s t e m s a d o p t e do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n o l o g ya s t h ed o w n l i n kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y c h a n n e le s t i m a t i o ni st h ek e yt e c h n o l o g yo fo f d ms y s t e m s ，t h ee s t i m a t e d a c c u r a c yd i r e c t l ya f 亿c t st h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h e a p p l i c a t i o no fc o m m o nc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi nl t e d o w n l i n k f i r s t l y ， t h es t a r tb a c k g r o u n da n dt h ep h y s i c a ll a y e ro fl t ea r ei n t r o d u c e d b r i e n y ，a n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d m a n dm i m ot e c h n o l o g i e sa r ed e s c r i b e d t h ed i s c u s s i o no ft h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so f w i r e l e s sc h a n n e la r em a d ei nt h i sp a p e r ，a n dt h e i ri m p a c to nt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si sa n a l y z e d t h e nad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ec o m m o n c h a n n e le s t i m a t i o ni sm a d e ，i n c l u d i n gt h el se s t i m a t i o na l g o r i t h m ，d f t b a s e d c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dl m m s ee s t i m a t i o na l g o r i t h m s o m ec o m m o n i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m sa r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ep e r f o r m a n c eo f t h e s ec o m m o nc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m si sa n a l y z e dt h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o n t h ea p p l i c a t i o no fd f r - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi nd o w n l i n k o fi 。t es y s t e m si st h ef o c u so ft h i sp a p e r ，t h a ti s ，t h ec o n t e n t so fc h a p t e r4 a n a p p “c a t i o no fd f l - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi nt h ed o w n l i n ko fl t e s y s t e m si sd e v i s e di nc h a p t e r4 ， t h e nt h ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n ta b o u tt h e s h o r t c o m i n g so fd f t b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sm a d e t w om e t h o d s t or e d u c ee d g ee f f e c t ( e d g ev a l u er e p e t i t i o nm e t h o da n dp a no fs u b c a r r i e r s r e p l a c e m e n tm e t h o d ) a r ec o m p a r e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h er e s u l ts h o w s e d g ev a l u er e p e t i t i o ni sb e t t e r ，a n di ti sa p p l i e dt ot h ed o w n l i n ko fl t e t h e na n a l g o r i t h mf o rt i m ed o m a i nw i n d o w i n go p e r a t i o ni si m p r o v e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e da l g o r i t h mi s b e t t e rt h a n t r a d i t i o n a la l g o r i t h m t h ei m p r o v e da l g o r i t h mi se a s yt oi m p l e m e n tb yh a r d w a r e ， a n di ss u i t a b l ef o f t h ed o w n l i n ko fl 1 es y s t e m s f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c eo f m u l t i a n t e n n as y s t e m so fl t ei sa n a l y z e dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，a n dt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s i m u l a t i o nr e s u l t sf u r t h e rv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e ds c h e m e k e yw o r d s ：l t e ，o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，e d g ee f k c t ，t i m ed o m a i n w i n d o w i n go p e r a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1l t e 项目的启动背景 移动通信技术从上个世纪九十年代开始快速发展，目前已成为人们生活 的重要组成部分。未来移动通信的发展方向是移动通信技术与宽带无线接入 技术的融合，现有的第三代移动通信技术并不能成为移动通信最终的解决方 案，面对全球微波互联接入( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ， w i m a x ) 技术的迅速崛起，3 g 必须加快后续技术的研究。2 0 0 4 年底，第三 代合作伙伴计划( 3 r d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 开始了通用移 动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，u m t s ) 技术的 长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 项目。l t e 项目主要为了达到以下 几个目标：( 1 ) 保持3 g p p 在移动通信领域的技术及标准优势。( 2 ) 填补第 三代移动通信系统( 3 g ) 与第四代移动通信系统( 4 g ) 之间存在的巨大技 术差距。( 3 ) 希望能够使用已分配给3 g 的频谱，保持无线频谱资源的优势 ( 4 ) 解决3 g 中存在的专利过于集中的问题。 为了应对w i m a x 技术的挑战，3 g p p l t e 将最大系统带宽从5 m 扩展 到2 0 m 。由于码分多址( c d m a ) 技术在实现5 m 以上带宽时复杂度过高， 3 g p p 不得不放弃长期采用的c d m a 技术，采用新的物理层核心技术，即正 交频分复用多址技术。为了降低用户面的延迟，l t e 在无线接入网( r a d i o a c c e s sn e t w o r k ，r a n ) 结构层面取消了重要的网元无线网络控制器 ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，r n c ) 。在整体的系统架构方面，与l t e 相对 应的系统架构演进项目( s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ，s e a ) 也推出了崭 新的演进型分组系统( e v o l v e dp a c k e ts y s t e m ，e p s ) 架构。由于系统架构和基 本的核心传输技术发生变化，l t e 失去了大部分和3 g 系统的后向兼容性。 虽然l t e 系统可以使用3 g 现有的频谱，但网络侧和终端侧都需要做大规模 的更新换代。因此l t e 项目的启动其实是一次技术革命，它建立在相关的数 学、物理、通信理论、射频工程、信号处理、无线资源管理等各方面理论的 积累之上。 l t e 被认为是未来十年甚至更长时间内宽带移动通信的主流标准，自从 项目启动开始就备受关注。l t e 系统在物理层采用了正交频分复用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 和多输入多输出 ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 等新技术，与3 g 相比，具有高数 据速率、分组传送、延迟降低和广域覆盖等技术优势，其演进需要达到以下 主要技术指标：( 1 ) 系统能够在2 0 m 带宽下实现上行峰值速率5 0 m b s ， 下行峰值速率l0 0 m b s ，即上行频谱利用率2 5 b p s h z ，下行频谱利用率 5 b p s h z 。( 2 ) 实现灵活的频谱带宽配置，支持1 4 m h z 、3 o m h z 、5 m h z 、 lo m h z 、15 m h z 和2 0 m h z 的带宽设置，并以不同的帧结构支持成对和非成 对的频段。( 3 ) 系统整体架构上基于分组交换，通过严格的q o s 机制，保证 实时业务的服务质量。( 4 ) 提供低时延，用户平面内部单向传输时延应控制 在5 m s 以内，控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于5 0 m s ，从驻 留状态到激活状态的迁移时间小于1 0 0 m s ，以增强对实时业务的支持。( 5 ) 在高的移动速率( 15 l2 0 k m h ) 下能够实现较好的性能，同时能为低移动 速率( 0 15 k m h ) 用户提供优化条件。( 6 ) 提高小区边缘用户的吞吐量， 增强系统的覆盖性能。 1 2l t e 物理层协议和关键技术简介 1 2 1l t e 帧结构 l t e 系统同时定义了时分双工( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ，f d d ) 和频 分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，t d d ) 两种模式【2 1 。两种模式的无线帧长都为 1 0 m s ，每个无线帧包含1 0 个l m s 的子帧，每个子帧包含2 个连续的时隙， 每个时隙的长度瓦m = 1 5 3 6 0 瓦= o 5m s ，其中，互= l ( 1 5 0 0 0 2 0 4 8 ) s 。 f d d 模式下，上下行各有1 0 个子帧用于传输，上下行无线帧在频率上 错开，帧结构如图1 1 所示1 2 j 一个无线帧乃= 3 0 7 2 0 0 瓦= 1 0m s ；一个时隙，死甜= 1 5 3 6 0 瓦= o 5m s r _ 臣丑j 三圈一臣互 i 二全王堕 1 图1 1f d d 帧结构 t d d 模式下，每个无线帧由两个半帧构成，每个半帧分为4 个常规子帧 和1 个由d w p t s 、g p 和u p p t s 组成的特殊子帧。子帧l 和6 为特殊子帧， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 其他为常规子帧。子帧o 和5 通常用于下行传输。t d d 的时隙结构如图1 2 所刹2 1 。 二二 二二 一个时障 = 1 5 矧 如觋 1 2 2 资源单元和资源块 d w p t sg p u d p t s 图1 2t d d 帧结构 一个时隙中传输的信号可以用资源栅格来表示，图1 3 为下行时隙的资 源栅格，一个资源栅格由频率上的恶硭个子载波和时域上的蛾。个 o f d m 符号构成，其中曜由下行带宽配置决定，而且崤肌磁】警d 。 峨。由循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 长度和子载波间隔( 矽) 决定。资源 栅格的每一个单元称为资源单元( r e s o u r c ee l e m e n t ，r e ) ，在频域上为一个 子载波，时域上为一个o f d m 符号，它由唯一的序号对( 七，) 标识【2 】。 一个物理资源块( r e s o u r c eb l o c k ，r b ) 由频域上连续的胖个子载波和 时域上连续的硪。个o f d m 符号构成，这样一个物理资源块将包括 飕。硭个r e ，对应于时域上的一个时隙和频域上的1 8 0 k h z ，物理资源 块的参数如表1 1 所示。除非特殊说明，本文后面的研究均以常规c p 为例。 表1 1 物理资源块的参数 配置 n 彗 ，d o s n b 常规c p矽= 1 5k h z 1 2 7 = 1 5k h z 6 扩展c p 鲈= 7 5k h z 2 4 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 惩 辎 k 盘麓 乏 宣要 之 爱 鲻 - 盘j 之 一个下行时隙，瓦h 当：bo f d m 符号 图1 3 下行链路资源栅格 1 2 3 l t e 中o f d m 技术简介 2 0 0 5 年1 2 月，3 g p p 组织正式决定l t e 下行采用o f d m 技术3 1 。o f d m 是一种多载波宽带数字调制技术，它具有频带利用率高和抗多径干扰能力强 等优点，因此适合于高速率的无线通信系统。o f d m 的核心思想是将高速的 串行数据流转变成为路并行低速数据流，然后用每路低速数据调制彼此相 互正交的子载波，最后将所有子载波叠加在一起构成o f d m 符号，如图1 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 4o f d m 系统框图 第二子载波对第一子载 波的干扰 i 、二 i i i i i 有时延的第二子载波 i i i 八八八 l i i l i l l ：保护间隔 图1 - 5子载波间的干扰示意图 o f d m 系统采用c p 来消除时间弥散信道的影响，理论上只要c p 的长 度大于无线信道的最大时延，就可以完全消除符号间干扰( i n t e r s y m b o i i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和子载波间干扰( i n t e 卜c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，l c l ) 。传统 的消除i s i 的方法是在符号前面加上一个不传任何信息的保护间隔，如图1 5 所示。对于o f d m 符号来说，这种方法会破坏子载波之间的正交性，从而产 生i c i 。从图1 5 中可以看出，在一个o f d m 符号内，第一个子载波与第二 个子载波之间相差的周期不再是整数，在接收端解调时子载波就会相互干 扰。为了解决这个问题，可以将o f d m 符号最后的若干个采样点复制到符号 最前面，如图1 6 所示。这样相当于对子载波进行了周期拓展，从而保证了 子载波间的正交性，添加到o f d m 符号前面的这部分数据就称为c p 。根据 数字信号处理的知识【4 1 ，当c p 的长度大于信道冲激响应的长度时，c p 可以 将o f d m 信号经过信道时和信道冲激响应的线性卷积转换成为循环卷积，这 样就可以根据循环卷积定理在接收端通过简单的频域均衡恢复出发送数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 幅 度 o f d m 符号长度 图卜6c p 示意图 与传统的单载波通信系统相比，o f d m 系统的各子载波信号频谱相互重 叠，因此具有较高的频谱利用率，其频谱效率比单载波系统高出近一倍。由 于o f d m 系统通过串并转换，将高速数据流变成多个在子载波上并行传输 的低速数据流，使得o f d m 符号长度远大于系统采样间隔，从而在很大程度 上降低了由多径效应引起的i s i 对信号的影响，增强了抗多径和频率选择性 衰落的能力，使得o f d m 系统可以在频域做信道均衡，而且一般只需要一个 抽头的均衡器即可，这是o f d m 系统最优秀的地方。 当然，o f d m 系统也有一些缺点，主要表现在以下两个方面：第一，o f d m 系统对频偏比较敏感，无线信号在传输过程中般会产生频率偏移，破坏子 载波之间的正交性，造成子载波之间的干扰，从而对系统性能造成很大的影 响。第二，o f d m 系统有较大的峰值平均功率比( p e a k t o a v e r a g ep o w e r r a t i o ，p a p r ) ，对功率放大器的线性范围要求很大，也使得功放的效率很低， 因此，p a p r 问题直接影响着o f d m 系统的运行成本和效率。 在l t e 系统中，一个下行时隙中的第，个o f d m 符号的时间连续信号为 【5 】： 西( f ) ：艺，2 嘶叫+ l 鼍陀l ，z 嘶训( 1 _ 1 ) t = 嚣世2 l 矧 其中，o ， 嘛，+ ) 瓦，七( 一) ：七+ k 总j 7 v 磬2 j ，五( + ) ：七+ 恶磬2 j - l 。当子载波间 隔为y = 1 5k h z 时，n 等于2 0 4 8 ；子载波间隔v = 7 5k h z 时，n 等于4 0 9 6 。l t e 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 系统中o f d m 的参数如表1 2 所示。 表1 2l t e 系统中o f d m 参数 配置循环前缀长度 常规c p= 1 5 z 1 6 0f 0 r ，= o 1 4 4f o r ，= 1 ，2 ，6 扩展c pv = 1 5 i 池 5 1 2f o r ，= 0 ，l ，5 = 7 5 k h z 1 0 2 4f o r ，= o ，1 ，2 1 2 4l t e 中m i m o 技术简介 m i m o 技术从l t e 项目一开始就成为其提升频谱效率的关键技术，它将 用户数据分解为多个并行的数据流，然后分别在每根天线相同的时频资源上 发射，同时保持发射功率不变。在接收端，由多根天线根据各个并行数据流 的空间特性对其进行识别，利用多用户解调技术恢复出原数据流。 m i m o 技术的特点就是在发射端和接收端都采用了多元天线阵，从而能 够从无线信道中获得不同空间特性的空间向量，相当于开辟出了多个相互不 干扰的独立通道，因此能够获得很大的空间分集增益。m i m o 传输技术可以 分为两类【6 】：一类是复用系统，它充分利用空间信道的弱相关性，在多个相 互独立的空间信道上传输不同的数据流，从而提高信道中传输的数据速率， 比如贝尔实验室分层空时( b l a s t ) 系统；另一类是分集系统，它利用空间 信道的弱相关性，同时结合时间频率上的选择性，为信号传输提供多个副本， 提高链路的可靠性，比如空时频编码。这些m i m o 技术分别适用于不同的 信道环境。 在m i m o 系统中，假设第，根发射天线的发射信号为j ，( ，) ( 0 ，s 刀一1 ) ， 则第，根接收天线的接收信号y ，( r ) 可以表示为【7 】： 型 少肜) = 芝h ( f ) 办，( f ) 】+ ，z ( f ) ( 1 2 ) f = o 式中p 表示卷积操作，办。( ，) 表示第f 根发射天线到第，根接收天线之间的信 道冲激响应( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，c i r ) ，刀( f ) 为高斯白噪声。 l t e 下行m i m o 技术的基本天线配置为2 x 2 ，即2 根天线发射，2 根天 线接收，最大支持4 天线4 层传输，需要指出的是，这里天线数目为虚拟天 线数。l t e 上行m i m o 技术的基本天线配置为l 2 ，即l 根发射天线2 根接 收天线。由于终端芯片处理能力和功耗的限制，目前对于上行链路并不支持 一个终端同时用2 根天线进行信号发射。l t e 系统中各个信道所支持的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 m i m o 模式见表1 3 【引。 表1 3l t e 系统所支持的m 1 m o 方案 物理信道m l m o 方案注释 物理下行共享信道 开环空间复用大延迟循环延迟分集 ( p d s c h ) 开环发射分集空频分组码( s f b c ) 闭环空间复用单用户m i m o 多用户m i m o多用户m i m o 波束赋形多于4 天线 物理下行控制信道开环发射分集 s f b c ( p d c c h ) 物理控制格式指示信道开环发射分集 s f b c ( p c f l c h ) 物理h a r q 指示信道开环发射分集 s f b c ( p h i c h ) 物理广播信道( p b c h ) 开环发射分集 s f b c 物理上行共享信道接收分集最大比值干扰抑制合并 ( p u s c h )多用户m i m o 2 4 8 天线 物理上行控制信道接收分集最大比值合并( m r c ) ( p u c c h ) 物理随机接入信道接收分集m r c ( p r a c h ) 1 3 信道估计的意义和研究现状 在无线通信系统中，由于无线信道具有很大的随机性，导致信号在传播 中产生相位偏移和幅度的变化，产生符号间干扰等，为了在接收端准确地恢 复原信号，就需要对无线信道进行估计并做出补偿。因此信道估计器在无线 通信系统中是一个很重要的组成部分，信道估计的精度将直接影响整个通信 系统的性能。 目前的o f d m 系统的信道估计算法主要可以分为三大类【9 】：基于导频 ( l t e 系统中叫参考信号) 的信道估计算法，盲信道估计算法和半盲信道估 计算法。基于导频的信道估计，通常称为导频辅助调制( p i l o t s v m b o la i d e d m o d u l a t i o n ，p s a m ) ，即在发送端数据中插入导频信号( 或训练序列) ，在 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 接收端提取这些导频信号进行信道估计【l0 1 。由于计算复杂度较低和信道估计 的精度较高，基于导频的信道估计算法在移动通信中被广泛采用，特别适用 于高速无线通信，其缺点是导频信号占用了数据信号带宽，降低了信道传输 的有效性。盲信道估计不需要导频信号，其算法是利用传输数据内在的数字 信息来实现的，与基于导频的信道估计算法相比节约了带宽，但它也有算法 的运算量太大，灵活性很差等缺点，使其并不适用于高速无线通信系统【1 1 】。 半盲信道估计是在基于导频的信道估计和盲信道估计的基础上产生的。在半 盲信道估计中，接收端利用发射端发送的少量导频信号和接收端数据的统计 特性来进行信道估计，相对于盲信道估计有较高的精度，其缺点是仍然有较 高的计算复杂度，而且统计时间比较长。 目前基于导频的信道估计算法主要有最小平方( l e a s ts q u a r e ，l s ) 估计算 法、线性最小均方误差( l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ，l m m s e ) 估 计算法和基于离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 的信道估 计算法等。l s 估计算法由于计算复杂度低，不需要信道的先验信息，受到 了广泛的应用，但是l s 算法对噪声比较敏感，有很大的均方误差【1 2 1 31 4 1 。 后两种算法以l s 估计结果为基础，进步提高了信道估计精度，减小了噪 声的影响。其中基于d f t 的信道估计算法，实现简单，但是会损失一部分 信道能量，在高信噪比条件下，性能不是很理想【1 51 6 1 ；l m m s e 有很好的信 道估计性能，但是需要知道信道的统计信息，计算复杂度高，在实际应用中 受到很大的限制1 7 1 81 9 1 。 在通过信道估计算法获得导频点的信道响应以后，需要通过内插、滤波 等插值方法获得全部子载波的信道响应。常见的插值方法有分段常数插值、 线性插值、二阶插值和基于d f t 的插值算法等。 l t e 系统的数据传输速率很高，而且使用相干检测以获得较高的系统性 能，相干检测需要精确的信道估计【2 们，因此采用基于导频的信道估计能够更 好地跟踪无线信道的变化，提高系统性能，而且计算复杂度不高，满足l t e 系统实时性很强的要求。本文所研究的信道估计就是基于导频的信道估计算 法。 1 4 本文的主要工作和章节安排 本文首先对l t e 项目的启动背景和相关的物理层标准及关键技术做了 简要的阐述。o f d m 和m i m o 技术是l t e 物理层的核心技术，本文对其原 理、优势和在l t e 系统中的应用做了简单的介绍。对于无线信道特性及其相 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 关键物理参数的理解对本文的研究至关重要，因此讨论了无线信道的一些基 本特性，并简单地介绍了本文仿真所用到的信道模型。 对各种信道估计算法在l t e 下行链路的应用研究和仿真分析是本文的 重点。首先介绍了常见的导频点的信道估计算法，对其做了理论推导和分析， 并通过仿真验证比较不同信道估计算法的性能。提出了一种改进的基于d f t 的信道估计算法在l t e 下行链路的应用方案，并与最小平方估计算法和传统 的基于d f t 降噪的信道估计算法进行性能比较。通过计算机仿真分析得出， 所提出的基于d f t 的信道估计算法能更好地抑制高斯白噪声的影响，与传 统的基于d f t 的信道估计相比有一定的性能增益，而且计算复杂度也较低， 适合l t e 下行链路。 本文章节安排如下： 第一章主要介绍了本文的研究背景，给全文做铺垫，简述了l t e 物理层 关键技术和信道估计技术的研究现状及意义。 第二章着重讲解了无线信道的些基本特性和重要的参数，对无线信道 的基本特性有深刻而且全面的理解是研究信道估计以及整个无线通信系统 的基础。同时简要地介绍了常见的l t e 信道仿真模型。 第三章首先详细介绍了几种常见的导频位置的信道估计算法原理，并对 其进行理论推导，分析各种算法的特点，然后简要介绍了几种数据位置的信 道估计算法，最后通过仿真验证了常见的信道估计算法在l t e 系统中的性 能。 第四章首先介绍了l t e 下行参考信号( 导频) 图案，然后针对l t e 系统 下行链路设计了一种基于d f t 的信道估计应用方案，最后针对传统的基于 d f t 的信道估计算法在应用中的不足之处做了分析和改进，提出了适合l t e 下行链路的信道估计算法，并通过计算机仿真进行验证。 第五章对全文所做的工作做了总结，指出了本文的一些不足和以后的研 究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 1 无线信道的特性 第2 章无线信道 无线信道是一种非常复杂的动态信道，其信道强度随时间和频率不断变 化，这种变化取决于用户所处的具体环境。无线信道有以下几个特点：传播 的开放性，接收环境的复杂性与多样性和通信用户的随机移动性。对无线信 道的特性及其建模问题的理解是研究无线通信的前提。 无线通信系统接收信号的衰落可分为两种类型【2 1 1 ：大尺度衰落和小尺度 衰落。 2 1 1 大尺度衰落 大尺度衰落用于描述由于发射机和接收机之间的距离产生的路径损耗和 由山脉、建筑物等大型障碍物造成的阴影衰落。当移动台运动的距离跟小区 的大小相当时，通常就会出现大尺度衰落，而且这种衰落跟频率无关。自由 空间中，距离发射机，处的接受信号功率刃( ，) 为2 2 1 ： 以咖只南q g r ( 2 1 ) 式中b 为信号的发射功率，九为波长，g ，和g ，分别是发射天线和接收天线的 增益。从式( 2 1 ) 中可以看出，在自由空间中，接收信号功率与，2 成反比， 这是一种理想的情况。在有地平面反射的情况下，如图2 1 所示，发射天线 和接收天线都安装在平坦的地面上，当它们之间的水平距离，远大于天线高 度时，直射路径与反射路径长度之差按照，- 1 的规律趋于0 。当厂足够大时， 两条路径的长度之差相对于a 变得非常小，由于反射路径的电场发生反转 【2 3 1 ，这两条路径的电磁波相互抵消，接收电磁波的幅度按，_ 2 衰减，接收信 号功率则按，- 4 衰减。由于受到阴影效应和散射效应的影响，接收信号功率衰 减的会更快。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 发射天线 办f ：天线 地平面 吃 2 1 2 小尺度衰落 图2 1 直射路径与地面反射路径示意图 小尺度衰落描述的是空间尺度与载波波长相当时接收信号的快速变 化，它与频率有关。电磁波在传播过程中由于障碍物的影响，存在直射、反 射、散射和绕射等多种传播形式，使信号通过多条路径到达接收机。每条路 径到达接收机的时间、相位和幅度都不一样，这些信号叠加在一起时，如果 相位相同则信号幅度会增强，相位相反则信号幅度会削弱，这样就造成接收 信号幅度急剧变化。这种由多径效应引起的衰落叫小尺度衰落，也称为多径 衰落，其衰落特性一般服从瑞利分布，在视距路径分量很大的条件下服从奈 斯分布。 多普勒扩展与相干时间 。 在移动通信中，由于移动台的运动，会产生多普勒频移。如果用v 表示 移动台的速度，a 表示载波波长，z 表示载波频率，8 表示移动台运动方向 和入射波方向的夹角，c 表示光速，则多普勒频移乃可以表示为2 4 】： 厶：兰c o s p = 堕c o s p ( 2 2 ) ” 兄c 其中丝为最大多普勒频移，与移动台的速度成正比。多普勒扩展d 。表示一 c 个频率范围，它被定义为多普勒频移之间的最大差【2 1 1 ，即： 以= m a ) k f ) 。一f ，( f ) l = m a x l p q i ( 2 - 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 式中r ，( f ) 和f ，( r ) 分别表示第，条路径和第j f 条路径的时延对时间f 求导，口和 q 分别表示第f 条路径和第，条路径的多普勒频移。这里的取最大值运算是 针对信道抽头做出重大贡献的所有路径进行的。无线信道的相干时间c 定义 为信道发生重大变化的时间间隔，与多普勒扩展b 互为倒数关系，假如将相 位变化三看作是信道发生重大变化，即路径长度变化四分之一波长，此时瓦 为【2 l 】： ， 1 疋。酉 ( 2 4 ) 需要说明的是这是一个不太精确的关系表达式，重要的是认识到n 和 互为倒数的关系，即多普勒扩展越大，相干时间越小，它们的乘积为常数。 在无线通信中，通常将信道划分为快衰落信道和慢衰落信道，它们是由信道 的相干时间和码元速率共同决定的。当相干时间远小于符号周期时，称为快 衰落信道；当相干时间大于符号周期时，称为慢衰落信道。因此，信道是快 衰落还是慢衰落与具体的应用环境有关。 时延扩展与相干带宽 在无线信号的多径传输过程中，由于传播路径的差异导致不同路径到达 接收机的时间不一样。定义最短路径与最长路径的传播时间之差为多径时延 扩展引z l j 。 乃= m a x k f ) 一r ) | d2m a x n w r u 卅 ，j ( 2 - 5 ) 式中f ，( f ) 和f ，( ，) 分别表示第f 条路径和第条路径的时延，这里只包含那 些传播主要能量的路径，忽略那些能量很弱以至于无法区分的路径。时延扩 展决定了信道的频率相干，频率相干显示了信道随频率变化的快慢。定义相 干带宽矿为1 2 l j ： 1 。 。= ：= - ( 2 6 )lm7 么d 式( 2 6 ) 跟( 2 4 ) 一样，只表示相干带宽和多径时延扩展之间的倒数 关系。当信号的带宽矽远小于相干带宽形时，信道为平坦衰落信道，此时时 延扩展远小于信号的符号周期；当信号带宽形大于相干带宽肜时，信道为频 率选择性衰落，此时时延扩展大于信号的符号周期。因此，信道是平坦衰落 还是频率选择性衰落不是由信道本身决定的，而是由信号带宽和信道的相干 带宽之间的关系决定的。例如对于一个相同的信道环境，输入信号带宽是 2 0 0 m h z 时是频率选择性衰落，但如果信号带宽是4 0 m h z ，该信道就是平坦 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 衰落信道了。 2 2 无线信道的输入输出模型 假设第，条路径f 时刻的衰减为q ( ，) ，时延为r ，( ，) ，利用叠加原理可得到当 无线信道输入信号为x ( f ) 时，输出信号y ( ，) 为： 少( f ) = q ( ，弦( 卜r ，( f ) ) ( 2 7 ) 由于式( 2 7 ) 表示的信道是线性的，我们可以用f 时刻对( f r ) 时刻的发 生的冲激的信道响应办( r ，) 来表示输入输出关系。此时输出信号少( f ) 可以表示 为【2 5 】： ， y ( f ) = 办( f ，f ) ox o ) = i 厅( f ，f ) x ( f r ) d r ( 2 - 8 ) 式中0 表示卷积操作，由式( 2 7 ) 和 响应乃( f ，f ) 为： 眠，) = q ( f ) 6 ( r r ，( ，) ) ( 2 8 ) 可以得到多径衰落信道的冲激 ( 2 9 ) 假设在一个很小的时间段内，第f 条路径的衰减q ( f ) 和传播时延r ，( ，) 与时 间f 无关，可以得到一般的线性时不变信道的冲激响应表达式【2 1 】： 办( r ) = 口，6 0 f ，) ( 2 一l o ) 为了建立有用的信道模型，我们要将连续时间信道转换为离散时间信道。 假设输入信号x ( f ) 带宽为形，对石( f ) 以形的频率采样得到研聍】，即 缸刀】_ x ( 刀形) 。虹刀】与x ( f ) 的关系可用采样函数s i n c ( ，) 来表示： x ( ，) = 咖】s i n c ( 聊一胛) ( 2 1 1 ) s i n c ( f ) 定义为： s i n c ( f ) ：趔 ( 2 12 ) ，r ， 将式( 2 11 ) 带入式( 2 7 ) 可得： y ( r ) = 虹，? q ( f ) s i n c ( 耽一形f ，( f ) 一力) ( 2 1 3 ) 一f 对少( f ) 以形的频率采样得到在古整数倍处输出y 【聊】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 h 聊】= y ( 脚形) = 虹m 一，】口，( 聊形) s i n c ( ，一f ，( 聊矿) 形) ( 2 - 1 4 ) ， ， 式中，= 所一”，定义曩【聊】为： 勺 聊】= q ( 所形) s i n c ( ，一f ，( 历形) ) ( 2 15 ) 鲋研】表示时刻朋的第，个信道滤波器抽头， 以表示为【2 1 】： m 】= 匀 m 】科m 一，】+ 以m ) ， 此时离散时间等效模型就可 ( 2 1 6 ) 式中w 仰) 表示均值为零，方差为仃2 的离散加性高斯白噪声。式( 2 16 ) 就是 本文仿真所使用的无线信道输入输出关系。 2 3空间信道模型 空间信道模型( s p a t i a lc h a n n e lm o d e l ，s c m ) 是3 g p p 组织定义的具有 多径富散射传播的空间m i m o 信道模型【2 引。它假定了3 种场景：市区微小 区、市区宏小区和郊区宏小区。所有场景都固定为6 条径，每条径都是由2 0 条空间独立的子径通过正弦曲线求和的方法组合而成。每条路径的延迟、功 率和角度等参数都是通过他们之间的统计特性获得的。图2 2 为s c m 使用 的角度参数，参数说明如表2 1 所示。 图2 2 基站和移动台的角度参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 表2 1s c m 角度参数说明 参数 说明 q 嬲 基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 天线整列的方位，定义为b s 阵列法线 方向与正北方向的夹角 b s 和移动台( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 之间的视距( l i n e - o f - s i g h t ， l o s ) 路径和b s 阵列法线方向的夹角 6 n a o d第玎条路径相对于l o s 离开角( a n g l e so f d e p a r t u r e ，a o d ) 的 a o d 月肌一曲第刀条路径的第脚条子径相对于6 州。d 的