第5章 MIMO-OFDM系统的信道估计

1、1 无论是单载波系统还是多载波系统，在接收端，要采用相干解调无论是单载波系统还是多载波系统，在接收端，要采用相干解调恢复数据信息，都需要较准确的恢复数据信息，都需要较准确的CSI作为数据处理的必要参数，所作为数据处理的必要参数，所以，信道估计是影响以，信道估计是影响OFDM系统和系统和MIMO-OFDM系统性能的关键因系统性能的关键因素。和传统单天线情况下的素。和传统单天线情况下的OFDM系统相比，系统相比，MIMO-OFDM系统中系统中的的CSI估计更困难些，原因是多天线的使用使得在任一子载波上接估计更困难些，原因是多天线的使用使得在任一子载波上接收到的信号都是多个畸变信号的叠加。当对其中一

2、个接收天线对的收到的信号都是多个畸变信号的叠加。当对其中一个接收天线对的CSI进行估计时，其它发射天线的发送信号就是干扰。进行估计时，其它发射天线的发送信号就是干扰。第第5章章 MIMO-OFDM系统的信道估计系统的信道估计5.1 引言引言25.2 信道估计算法信道估计算法信道估计信道估计基于导频的信道估计基于导频的信道估计盲信道估计盲信道估计非盲信道估计非盲信道估计基于训练序列的信道估计基于训练序列的信道估计（基于块状导频的信道估计）（基于块状导频的信道估计）3ttff基于导频的信道估计基于导频的信道估计基于基于训练序列训练序列的信道估计的信道估计44.3.1 LS信道估计算法信道估计算法

3、LS方法是使测量值和模型之间的加权误差最小。方法是使测量值和模型之间的加权误差最小。 NXhYhLShLSh若衰落若衰落的的LS估计用估计用表示，则用表示，则用LS算法估计算法估计的代价函数为的代价函数为2)(LSLSJhXYh)()(LSHLShXYhXYLSHHLSHHLSLSHHhXXhYXhhXYYY求求LSh的导数，使得的导数，使得 022)(*LSHHLSLSJhXXYXhh5YXYXXXh11HHLSTNNLSxyxyxy1111001YXh即即 LS估计的均方误差（估计的均方误差（MSE）可以推得）可以推得 LSLShhhhHLSEMSE YXhYXh11HE ZXZX11HE

4、22xn6 基于训练序列的信道估计基于训练序列的信道估计 TNNLSxyxyxy1111001YXh 基于梳状导频的信道估计基于梳状导频的信道估计 导频子载波的信道响应导频子载波的信道响应 TpppppNHHH) 1() 1 ()0(HTpGNHGHH) 1()()0(接收到的导频信号矢量接收到的导频信号矢量 TpppppNYYY) 1() 1 ()0(YpN:导频符号导频符号个数个数pNNG/pppppWIHXY若若7pppppWIHXY) 1(0000) 1 (000)0(pppppNXXXXpW为导频子载波中的高斯噪声。为导频子载波中的高斯噪声。 在常规的梳状导频估计中，基于在常规的梳状

5、导频估计中，基于LS准则的导频信号估准则的导频信号估计可以表示为计可以表示为TpLSpLSpLSpLSpNHHH) 1() 1 ()0(,HppYX1TppppppppNXNYXYXY) 1() 1() 1 () 1 ()0()0(pI是是ICI矢量。矢量。 84.3.2 LMMSE信道估计算法信道估计算法pRRhppph)(1LMMSE对于块状导频信道估计对于块状导频信道估计 pppRRh)(112HnhhhhLMMSE4.3.3 信道插值信道插值1.线性插值线性插值2.齿条插值和三次插值齿条插值和三次插值NXhYphRphEhp 和含噪声的导频估计和含噪声的导频估计之间的互相关矩阵。之间的

6、互相关矩阵。 是是 12)(HnppHEppRppRpp是导频估计矩阵的自相关矩阵。是导频估计矩阵的自相关矩阵。 93.低通插值低通插值 基于低通滤波器梳状导频结构的信道估计框图基于低通滤波器梳状导频结构的信道估计框图104.4.1 导频插入间隔以及导频图样导频插入间隔以及导频图样导频符号成正方形分布的导频符号成正方形分布的OFDM符号帧结构符号帧结构 4.4 OFDM系统信道估计系统信道估计11 插入导频的间隔必须满足奈奎斯特抽样定理，即无失插入导频的间隔必须满足奈奎斯特抽样定理，即无失真恢复的抽样间隔必须小于抽样信号两倍带宽的倒数。真恢复的抽样间隔必须小于抽样信号两倍带宽的倒数。 max)

7、/(1cffN或或cffNmax1dtfTN2)/(1或或TfNdt21cffNmax1实际中实际中TfNdt21向上取整向上取整一帧中包含的所有导频符号总数为一帧中包含的所有导频符号总数为 tsfcgridNNNNN12由于插入导频所带来的开销为由于插入导频所带来的开销为scgridNNN其信噪比的损失为其信噪比的损失为 11log1010pilotV两种导频插入模式两种导频插入模式 导频图导频图134.4.2 时域信道估计算法时域信道估计算法基于训练符号的时域信道估计算法基于训练符号的时域信道估计算法 对于训练符号对于训练符号 nx，接收到的时域信号为，接收到的时域信号为 cnnnNnxh

8、r, 2 , 1*Xhr121,ccNTNCrrrr其中其中 121,LTLChhhh121,ccNTNC训练符号列矢量训练符号列矢量 信道冲激响应列矢量信道冲激响应列矢量 加性噪声列矢量加性噪声列矢量 14121321312211LNNNNLNNNNLNNLNNNcccccccccccccxxxxxxxxxxxxxxxxX得到信道冲激响应的估值得到信道冲激响应的估值 XhXXhXrXh1111若有多个训练符号时，估计时可求平均若有多个训练符号时，估计时可求平均)(21)(211211121XXhrrXh信道频域响应的估值信道频域响应的估值 hHDFT15一维信道估计算法一维信道估计算法4.4

9、.2 频域信道估计算法频域信道估计算法1. 基于插入导频符号的频域信道估计算法基于插入导频符号的频域信道估计算法 162. 基于训练符号的频域信道估计基于训练符号的频域信道估计LS算法算法 lk第第个符号的第个符号的第个子载波上接收到的频域符号为个子载波上接收到的频域符号为klklklklXHR,得到信道频域响应的估值得到信道频域响应的估值 *,*,2,*,klklklklklklklklklklXHXXHXRH 若有多个训练符号，估计时也可利用类似于时域求平若有多个训练符号，估计时也可利用类似于时域求平均值的方法来平滑噪声的影响，以提高估计准确度。均值的方法来平滑噪声的影响，以提高估计准确度

10、。 17LS信信道道估估计计N点点IDFTN点点DFT) 0(LSH) 1 (LSH) 2(NHLS) 1(NHLS) 0(LSh) 1(LhLS) 0(DFTh) 1(LhDFT00) 0(DFTH) 1(NHDFT频域频域时域时域频域频域)(LhLS) 1(NhLS基于基于DFT 的的OFDM 系统信道估计示意图系统信道估计示意图4.4.3 基于基于DFT的信道估计的信道估计18010203040506000.10.20.30.40.50.60.70.80.91采样点采样点/个个归一化幅度归一化幅度h(t)=(t-Ts)+0.5(t-4Ts)采样间隔信道情形采样间隔信道情形19010203

11、040506000.10.20.30.40.50.60.70.80.91采样点采样点/个个归一化幅度归一化幅度h(t)=(t-1.5Ts) + 0.5(t-4.5Ts)非采样间隔信道情形非采样间隔信道情形20LS信信道道估估计计N点点IDFTN点点DFT) 0 (LSH) 1 (LSH) 2(NHLS) 1(NHLS) 0 (LSh) 0 (DFTh) 1(NhDFT00) 0 (DFTH) 1(NHDFT频域频域时域时域频域频域) 1(NhLS置置零零样样值值选选择择改进的基于改进的基于DFT 的的OFDM 系统信道估计示意图系统信道估计示意图21系统系统使用路径使用路径LS063LS-DF

12、T02,6163LS-DFT107,5663LS-DFT2010,5363MMSE063五种系统概况五种系统概况 22510152025-30-25-20-15-10-50信噪比信噪比(dB)MSE(dB)LSLS-DFTLS-DFT1LS-DFT2MMSE最小均方误差（最小均方误差（MSE）性能仿真）性能仿真 23024681012141618202210-310-210-1100信噪比信噪比(dB)SERLSLS-DFTLS-DFT1LS-DFT2MMSE误码率性能仿真误码率性能仿真 误码率平台24MIMO编码器编码器),(nkSIFFTIFFT),(1nkR),(TNnkCMIMOCha

13、nnelFFTFFTMIMO解码器解码器),(1nkC),(nkS信道信道估计器估计器训练训练符号符号),(RNnkR4.5 MIMO-OFDM系统信道估计系统信道估计基于训练序列的基于训练序列的 MIMO-OFDM系统信道估计系统信道估计25tf基于训练序列的信道估计基于训练序列的信道估计训练模式：发送端发送训练序列，在接收端根据接收数据训练模式：发送端发送训练序列，在接收端根据接收数据 和训练序列计算信道特性。和训练序列计算信道特性。数据传输模式：根据训练模式计算的信道特性及接收端接数据传输模式：根据训练模式计算的信道特性及接收端接 收的数据计算发送端发送的数据。收的数据计算发送端发送的数

14、据。26jjjNCHRTjjjNRR1,0R训练模式训练模式MIMO-OFDM系统输入输出关系：系统输入输出关系：第第 个天线各个子载波接收信号：个天线各个子载波接收信号：j,10TNidiagdiagdiagCCCC发送端每个天线发送的训练序列：发送端每个天线发送的训练序列：TiiiNCC1,0C第第 个天线信道矩阵（频域）：个天线信道矩阵（频域）：jTjNjijjT, 1, 0HHHHTjijijiNHH1,0,H1, 1 , 0RNj27TjjjNNN1,0NjiLji,hFHTjijijiLhh1,0,hjjjNQhR第第 个天线的噪声矩阵：个天线的噪声矩阵：j信道特性时域和频域关系信

15、道特性时域和频域关系MIMO-OFDM系统输入输出关系另一种表达：系统输入输出关系另一种表达：,10LNLTdiagdiagFCFCQTjNjijjT, 1, 0hhhhjHHjjHHjNQQQhRQQQh11)()(MIMO-OFDM系统信道冲激响应的系统信道冲激响应的LS估计为估计为28MIMO-OFDM系统信道估计中的训练序列选择：系统信道估计中的训练序列选择：3. 不同发射天线的导频相互正交。不同发射天线的导频相互正交。 1. 导频必须等能量；导频必须等能量；2. 导频插入的子信道必须等间隔；导频插入的子信道必须等间隔；22( /2) / 0jkNA eX k奇数偶数kk 不同发射天线

16、训练序列正交不同发射天线训练序列正交 低低PAPR 抗抗ISI干扰干扰 例：例： 线性调频序列线性调频序列29为奇数为偶数kkkCkC011N2NN1N0)(1nncnncnc加入保护间隔情形加入保护间隔情形OFDM数据数据训练序列训练序列OFDM数据数据发送端：发送端：OFDM数据数据训练序列训练序列OFDM数据数据接收端：接收端：OFDM数据数据训练训练OFDM数据数据序列序列发送端：发送端：特殊训练序列情形特殊训练序列情形接收端：接收端：OFDM数据数据训练训练OFDM数据数据序列序列3005101520253035404550-20-15-10-50510信噪比信噪比(dB)MSE (

17、dB)随机训练序列随机训练序列恒包络随机训练序列恒包络随机训练序列特殊训练序列特殊训练序列基于基于LS算法算法MIMO-OFDM系统系统MSE性能仿真性能仿真随机训练序列：随机产生训练序列随机训练序列：随机产生训练序列恒包络随机训练序列：用恒包络随机训练序列：用E指数做训练序列，幂次随机变化。指数做训练序列，幂次随机变化。特殊训练序列：线性调频序列特殊训练序列：线性调频序列3105101520253035404550-50-40-30-20-10010信噪比信噪比(dB)MSE (dB)不加零特殊训练序列传统算法不加零特殊训练序列传统算法特殊训练序列传统算法特殊训练序列传统算法恒包络随机训练序列改进算法恒包络随机训练序列改进算法特殊训练序列改进算法特殊训练序列改进算法基于基于LS算法算法MIMO-OFDM系统系统MSE性能仿真性能仿真3205101520253035404550-60-50-40-30-20-10010信噪比(dB)MSE (dB)LS 传统算法传统算法改进算法改进算法带保护间隔传统算法带保护间隔传统算法带保护间隔改进算法带保护间隔改进算法基于基于LS算法算法MIMO-OFDM系统系统MSE性能仿真性能仿真330510152025303540455010-210-1100SNR (dB)SER随机训练序列传统算法随机训练序列传统