LTE系统上行信道估计算法研究与实现

1、西安电子科技大学硕士学位论文LTE系统上行信道估计算法研究与实现姓名：赵彦申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：任光亮20090101摘要随着用户对各种多媒体业务需求的增加，提出了长期演进系统（，）。最重要的改进在于采用全新空中接口技术，而准确的信道估计则是保证系统传输质量，发挥其优越性的关键，因此本文将重点围绕系统的上行信道估计技术展开研究。本文根据最新协议，重点研究了基于导频的系统上行信道估计算法。首先介绍了两种基本准则，提出了改进的准则下均衡和译码的迭代信道估计算法，并给出了系统仿真性能曲线。仿真表明，在增加有限复杂度的条件下，译码迭代信道估计算法性能明显优于均衡迭代信道估计算

2、法，提高了信道估计值的精度，同时该算法能够有效地跟踪时变信道，更适合应用于高速场景。此外，本文从实现的角度介绍了上行信道估计模块的算法实现流程，算法实现的平台，以及相关的优化，并给出了优化后的结果。关键词：第三代移动长期演进单载波频分多址信道估计均衡译码，（），谢，：西安电子科技大学学位论文创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中

3、做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人签名：蛆新躲鹏日期日期专睁掣第一章绪论第一章绪论（）项目是的演进，它改进并增强了的空中接入技术，采用技术和技术作为其无线网络演

4、迸的唯一标准。它改善了小区边缘用户的性能，提高了小区容量和降低了系统延迟。技术背景技术的出现给移动通信带来了巨大的影响，它使上网冲浪、联网游戏、远程办公等摆脱了场地和环境的束缚，实现了真正意义上的无所不在。但人们的需求并没有就此停滞，在这种需求的推动下，提出了新的挑战，那就是在年实现下行峰值速率，上行峰值速率的数据传输。这是一个巨大的挑战，也就是说必须在两年之内设计出倍于当前系统传输速率的新技术，并且具有很好的向下兼容性，以保护现有的投资，这一新的系统被称作或（）。是关于和的演进，是对包括核心网在内的全网演进。它包含了无线接口和无线网络结构部分。的两个核心目标：一方面提高吞吐量和频谱利用率；另

5、一方面是降低运营成本。空中接口物理层技术依旧是无线通信系统的基础与标志，系统物理层上行传输采用峰均比较低的单载波方案技术，下行传输采用先进成熟的技术。在网络结构方面，正在考虑简化网络结构，以减少网络层次，降低数据传输时延和呼叫建立时间，满足实时业务的需要。的主要目标包括：（）峰值速率：在的频谱带宽条件下，能够使下行峰值速率达，上行峰值速率达到。（）系统时延：用户面延（单向）小于，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间小于，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于。（）用户吞吐量：下行平均用户吞吐量达到的倍，上行平均用户吞吐量达到的增强型上行链路的倍。（）频谱效率：下行频谱效率达到的倍，上行频谱效率达到

6、增强型上行链路的倍。（）覆盖范围：能够支持半径的小区。（）带宽配置：支持成对或非成对频谱分配，可灵活配置、的多种带宽。（）成本：尽可能降低用户和运营商的成本。系统上行信道估计算法研究与实现从中可以看出，其目标与相比已经有了很大提高。主要体现在高数据速率、分组传送、灵活带宽和向下兼容性。此外，对演进型系统从系统性能要求、网络的部署场景、网络架构、业务支持能力以及与现有各个系统的演进和互通关系等方面进行了详细的讨论。下图给出了项目发展时间表。月月一日，东京通过工作计划通过框架第一阶段需求年能划分一包括和的研究路线日，塔林修订工作计划通过和的功日，中国修订工作计划课题的假设条件（信道结构，信年月月月

7、月月月月月月月月月月月月月月日，马耳他月月月日修订工作计划日，魁北克修订工作计划通过需求未来演进路线需求结构的演进无线接口协议结构通过概念向工作课题转移的准备创建工作课题和制定时间表状态和状态转移物理层（多址接入，宏分集是否必要，测量）图研究项目发展时间表信道估计研究现状由于无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道的时变性和多径传播引起的，因此，如何有效地对抗无线信道的这些传输缺陷是实现未来高速无线通信的关键。在系统中，存在例如：同步技术、信道估计、峰均比、编码以及分集技术等诸多领域。本论文的主要研究是系统中关键技术之一信道估计技术。信道估计是无线传输系统的关键技术之一，在接收端进行的均衡、检测

8、、信道质量测量和软译码等处理都需要信道估计中给出的信道传输系数。这些信道传输系数的估计精度直接决定了系统接收机的性能。为了获得高精度和低复杂度的实用信道估计方法，国内外开展了大量的研究，提出了大量信道估计方法【。已提出的方法大体上可以分为两类，一类是盲信道估计方法，另一类是在已有系统的标准中应用最广泛的方法数据辅助的信道估计方法。盲估计不需要训练序列，但需要利用数据传输的统计信息，相比基于数据辅助的信道估计算法虽然节省了带宽，但算法运算量太大，灵活性很差，在实时系统中应用受限。数据辅助的信道估计方法中常用的算法有最小二乘估计（）【】、最小均方误差准则第一章绪论（）【】和最大似然估计（）准则】等

9、算法。目前一些关于信道估计的算法大多是在低速场景下研究的，低速场景下信道变化较为缓慢，传统的算法大多能够较好地对抗慢衰落信道。但对于高速场景下，由于信道时变性较强，传统的算法不能够有效地对抗信道的快衰落特性，因此，如何提高信道估计在高速场景下的精度，是本文研究的出发点。在一般的通信系统中，信道估计、均衡以及译码都是相对独立的处理单元，先进行信道补偿即信道估计，然后对补偿后的接收信号做均衡，之后再进行译码。目前，随着均衡技术的广泛应用，以及有着良好性能的码的出现，使我们能更充分地将信道估计、均衡、译码结合考虑。特别地，由于码自身的迭代译码结构，使其具有很好的对抗衰落信道的特性，如果能够将其迭代译

10、码的思想应用到信道估计中，从理论上讲应该有助于我们提高信道估计的精度。这为我们进一步研究高速场景下信道估计算法提供了很好的思路。本论文研究主要工作及内容安排本文在前期项目研究的基础上，专门针对基于导频的系统的上行信道估计算法方面做了深入的研究，改进的算法解决了高速场景下信道估计性能不理想的缺点，并在此基础上介绍了实际应用中上行信道估计算法采用平台实现的流程，的相关优化，完成了相关代码优化工作，最后给出了优化结果。本论文内容章节安排如下：第一章绪论。本章介绍了技术背景以及信道估计研究发展现状。第二章系统与关键技术。介绍了帧结构，发射机原理，以及现有的上下行采用的关键技术等。第三章系统上行信道估计

11、算法。介绍了导频的选择和分类，对传统的准则和准则进行了详细的公式推导，重点做了基于均衡和译码的改进的系统迭代信道估计算法研究，并给出不同调制以及不同多普勒频移下的性能曲线仿真，根据仿真曲线得出了相应的结论。第四章基于的系统信道估计算法实现。介绍了实际应用的系统上行信道估计的实现流程，算法实现平台，以及相关优化，最后给出了信道估计模块的优化结果。第五章结束语。对本论文研究工作做了总结，并对后续如何在该领域深入研究进行了探讨。第二章系统与关键技术第二章系统与关键技术系统帧结构与导频技术主要是针对当前不断增长的语音业务设计的，它考虑了对语音业务的良好支持，兼顾了低速率的数据业务。但由于技术限制和对未

12、来业务的预测，技术并不能全面支持高速率数据业务，也不能对时延低，速率高的流媒体业务提供良好的支持。而将的技术提前引入现有的系统，利用技术对现有的系统进行改进，就成为现有条件下最理想的选择。的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构三个方面，本节将对系统物理层方面作以简单介绍。帧结构目前的物理层技术研究主要针对频分双工（）和时分双工（）两种双工模式。协议【】旧分别给出，两种双工方式下的帧结构，本课题是基于双工方式，所以这里仅介绍方式下的帧结构。如图所示，该类型帧结构适用于全双工和半双工模式。每个无线帧长霉。，包含个时隙，每个时隙长互，编号。定义一个子帧包含个连续的时隙，子帧包含第和第（）

13、时隙。对于，在每一个的间隔内，有个子帧可被用作下行传输，也有个子帧可被用作上行传输，上行传输和下行传输在频率上是错开的；在半双工中，不能同时进行传输和接收，但是在全双工中则可以同时进行传输与接收。一个无线帧乃，臣三工三日一臣叵一。个时隧，一个子帧图帧结构系统上行信道估计算法研究与实现参考信号设计、上行参考符号设计上行链路导频信号位于两个符号中，可用于的信道估计和信道质量（）估计。根据协议】，对于上行链路一个子帧中导频符号与用户数据符号共有个，记作。其中第四个符号和第十一个符号为导频符号，其余符号为用户数据（如果信道包含信号，则符号放置信号）。：圜一导频一个子帧图上行子帧时隙结构假定一个用户占用

14、个子载波，则其时频结构如图所示：羞一簟图时频二维结构示意图其中深色为导频数据，其余的是用户数据。对接收到的导频先进行导频点处信道估计，然后对得到的导频子载波上的信道传输系数进行降噪滤波、时域插值，从而得到数据子载波上的信道估计值。由于系统上行块状导频结构，且各子载波上的导频参考序列由（）序列产生，故其相邻子载波导频位置处的参考序列相互正交。、下行参考符号设计系统利用导频进行信道估计，下行采用短的导频结构（没有特别说明均默认为短的帧结构），导频子载波用于传输导频信息；数据子载波用于传输数据；其中有一个直流偏置子载波位置，不传任何数据。时域上每个时隙包含个符号，其中两个符号放置导频（第一个和倒数第

15、三个）；从频域看，第二章系统与关键技术每个符号从左保护边带后（保护边带不传任何信息）的第二个子载波开始，每个子载波放置一个导频，两个导频子载波之间有个子载波，倒数第三个符号从左保护边带后第五个子载波开始，每个子载波放置一个导频，两个导频子载波之间有个子载波。第一个符号上的导频子载波位置与倒数第三个符号上的导频子载波位置正好交叉错开。另外，由于（直流偏置）子载波不传输任何信息，导频和数据的放置在碰到都后移一个子载波，即两边的两个导频之间有个子载波。上行关键技术叫做单载波频分多址【，是相对于提出的一种多址方案。由于的时域信号是若干平行随机信号之和，因而容易导致高峰均比。而基站端的功率限制相对较小，

16、可以采用较为昂贵的功率放大器，所以在下行链路中，高峰均比不会带来太大的问题。然而，在上行链路中，由于用户终端的功率放大器要求低成本，并且电池的容量有限，因而高会将降低的功率利用率，减小上行的有效覆盖【引。为避免上述缺点，因此系统上行链路选择采用峰均比比较低的单载波调制技术，即：技术。发射机结构系统上行基带发射机结构框图：图系统上行基带发射机结构图上述框图简单描述了上行链路基带发射的过程，有几点作以下说明：（）信道复用指各种信道和信号在时域和频域上的复用，在第一个符号，系统上行信道估计算法研究与实现任何用户发送时，第一个符号不发送数据，否则第一个符号发送数据。（）参考信号包括用于物理上行共享信道

17、和物理上行控制信道解调的参考信号与的参考信号。（）除信道的符号生成不同外，其它信道信号的生成都一样。上行链路传输。，对于和，的上行链路都采用（单载波频分多址）【信号相对于信号来说具有更好的性能，从而相应地提高了功放的效率和增加了小区的覆盖面积，这是选择作为上行多址方案的重要原因。上行传输方案采用带循环前缀的，使用获得频域信号，然后插入零符号进行扩展，扩展信号再通过。这个过程简写为。采用了，它是的频域实现方式，它将传输带宽分为正交的子载波集合，并将不同的子载波集合分配给不同的用户，实现传输带宽可以灵活地在多用户之间共享，同时由于信号在频域的正交性，避免了系统中用户间的多址干扰。其原理如图所示。彳

18、由比特流输入比特流并转换器星座（山马点一映射广一脚点册盯加循环前缀并串转换器行批特流星座（，）映射！图原理图对来说，首先对个调制符号的数据块进行了点的，然后将调制符号变换到频域上，映射到可用的子载波上，再进行（）点变换，接着进行加循环前缀和并串变换。在一个信号中，每一个子载波承载了所有发送调制符号的信息，这是因为输入的数据流被变换映射到了所有的可用子载波上。不同的是，在信号中每个子载波只承载了特定调制符号的信息。子载波映射决定了哪一部分频谱资源被用来传输上行数据，而其他部分则被插入若干个零值。通常频谱资源的映射方式有两种方式【】：一种是集中式映射，即的输出映射到连续的子载波上；另一个是分布式映

19、射，即第二章系统与关键技术的输出映射到离散的子载波上，如图所示。对于不同用户而言，相对于前者，分布式映射可以获得额外的频率分集，但其缺点在于对频率偏移以及高多普勒现象更加敏感。卜图集中式和分布式子载波映射示意图在上行链路中，由于传输信号受到信道的影响，导致接收到的信号在相位和幅度上产生畸变，其中产生畸变的主要的原因是无线信道中的多径衰落和多谱勒频移。接收端一般采用差分解调和非差分解调（相干检测）这两种方法来消除这类影响。如果采用差分检测则是不需要信道估计的，而且可以降低系统的复杂性和导频的数量，但是要求信道有较高的信噪比。而大多数的无线通信系统对频偏比较敏感，接收机一般采用相干检测。相干检测是

20、通过信道均衡技术消除信道干扰，需要信道估计，性能良好的信道估计是提高系统性能的关键。特别地，在高速移动的通信系统中，无线信道的时变特性非常突出，即使相邻的信息符号所对应的信道特性都会有所变化，所以如何有效地跟踪时变信道，对时变信道进行准确的信道估计在系统中显得尤为重要。下行关键技术概述传统的正交频分复用（）】技术基本思想是把高速率的信源信息流变换成路低速率的并行数据流，然后用个相互正交的载波进行调制，将路调制后的信号相加即得发射信号。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减小无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性。通过插入循环前缀，满足一定条件就可最大限度地消除由多径引起的符号间干扰

21、，提高了抗多径衰落方面的性能。系统上行信道估计算法研究与实现技术【是为了将技术从定点接取无线系统扩展为具有行动能力的真正蜂巢式系统而开发的。其底层技术是相同的，更多灵活性是通过系统工作定义所实现。在下行链路中，协议采用基于传统技术的技术，它是将和技术结合形成的最常见的多址技术，它分为子信道和跳频。子信道即将整个系统的带宽分成若干子信道，每个子信道包括若干子载波，分配给一个用户（也可以一个用户占用多个子信道）。与不同的是，允许多个用户同时在可用的带宽上进行数据传输。每个用户分配一块特定的时频资源块。方案可以看做将总资源（时间，带宽）在频率上进行分割。从而实现多用户接入，是一种以频率来区分用户的多

22、址接入方式。下行链路传输、下行的资源分配下行的资源分配单位为资源块，当子载波间隔为时，一个物理资源块在频域上包括个子载波，当子载波间隔为时包括个子载波。在时域上包括碟个符号，这里雌指的是每个时隙的符号个数。资源块的大小对于所有带宽都是相等的，资源块数目取决于带宽大小【。下行一个时隙一个资源块中载波的个数翻下行符号图下行资源结构图根据要求的数据速率，每个用户在每隔的传输间隔内被分配一个或多个资源块，资源调度由来做。用户数据在物理下行共享信道（）上第二章系统与关键技术进行传输，控制信息在物理下行控制信道上传输（），用来传输对各个用户的调度信息。、下行共享信道的信号生成过程：图下行共享信道信号生成过

23、程（循环冗余校验）用于对传输块进行检错，数据共享信道中其长度为；分段是由于其编码的信息比特太长，超过了编码器的要求，故需要分成几段进行编码；速率匹配是在码或卷积码的基础上进行适当的修改，以适应高数据速率的需要：系统中信道编码大多采用的是码；相对于前面的分段编码而言，级联就是把分段并编码完成的码块再连接起来；信道交织目的是为了把突发错误随机化，最后产生基带信号【】。本章小结本章主要介绍了系统物理层相关概念，根据目前协议的规定，重点介绍了本课题基于的帧结构类型。介绍了上下行参考符号，重点介绍了上行关键技术，即：技术，包括发射机的原理，上行链路的传输方案：以及下行关键技术，即：技术，包括的基本概念以

24、及下行传输介绍。为我们进一步理解的基本原理以及后续章节对系统信道估计技术的研究奠定了扎实的理论基础。第三章系统上行信道估计算法第三章系统上行信道估计算法对于系统上行链路而言，采用的是单载波技术和块状导频结构。因此，在端在进行信道估计的时候，只需要对估计出的信道响应在时域进行平均或插值来获得整个帧面的信道响应值，而不需要对频域进行插值，因而实现起来比较简单。但其弊端是对于高速场景下的信道估计精度不够，这主要是由于导频排放模式所导致。如何就当前上行链路在高速场景下和增加有限复杂度的条件下，能够有效的对抗信道的时变性，提高信道估计的准确度，从而达到提升整个系统性能的目的，这是本章研究的重点。信道估计

25、算法信道估计就是估计从发送天线到接收天线之间的无线信道的频率响应。它的任务就是根据接收到的经信道影响在幅度和相位上产生了畸变并叠加了高斯白噪声的接收序列来准确识别出信道的时域或者频域的传输特性，即：估计出每个子载波上的频率响应。传统信道估计准则大致分为：最小平方准则（），最小均方误差准（）等【】【。目前关于信道估计的算法很多【】【】，根据在时域还是频域实现，可以分为是时域信道估计算法和频域信道估计算法两大类；根据是否使用辅助数据又可以分为导频辅助的估计算法【】【】【刀和盲估计算法【。基于子空间和高阶统计量等盲估计算法，不需要发送训练序列从而提高了系统的频谱效率。但为了进行可靠估计，接收端必须接

26、收到足够多的数据符号，因此产生很大运算量和处理延时。由于信道的时变特性，灵活性差等因素导致其在实时系统的应用中受到限制。导频辅助的估计算法通过在时域和频域插入导频，定期或不定期地发送一定的训练序列来训练接收机的信道估计器。先对导频位置进行估计，再进行插值处理得到全部信道响应值。对导频子载波上的估计方法有最小平方估计（）、最小均方误差估计（）、最大似然估计（）等方法。插值方法中二维维纳滤波器是最小均方意义上的最佳滤波器【】【】，它最大限度地抑制了和高斯白噪声，但缺点在于算法复杂度过高和对存储空间要求太高。对它的改进算法有：（）分离滤波器法，即将二维滤波器分解成级联的两个一维滤波器。但复杂度仍然相

27、对较高；（）变换域法。目前这种算法主要分为基于奇异值分解的估计算法【】和基于离散傅里叶变换（）的估计算法【】【。对于辅助信息信道估计算法，虽然导频占用了一定的信息比特，造成带宽和功率的损失，降低传输的有效性，但对于衰落信道，信道估计必须能够跟踪上时变信道的变化，这就需要采用数据辅助的方式进行信道估计。系统上行信道估计算法研究与实现导频的选择与分类按照导频通常插入的方式，大致分为：块状导频、梳状导频和离散导频（）块状导频这种导频信号是在时域中周期性的插入，而在频域中则是所有的子载波都作为导频。这种类型的导频多适合慢衰落的无线信道中，在连续几个传输符号传输期间内，信道变化相对缓慢，因此后续的传输信

28、号的估值可以利用前面得到的信道估计值计算出来。由于该模式下导频所在符号在频域上包括所有的子载波，因而不需要接收端在频域内进行插值。因此这种导频模式对频率选择性不是很敏感，适用于信道估计和时域频域的粗同步。导频。数据时域图块状导频（）梳状导频这种导频信号的插入方式是均匀的分布于每个传输符号中，假设两种导频载荷相同，梳状导频具有更高的重传率，因此梳状导频结构在快速衰落的信道中估计的效果比块状导频结构更好。在梳状导频结构下，传输子载波只有部分用于导频信号的传送，但是在时间上，导频信号是时时传送的，这是因为快衰落信道的变化很快，所以必须在每一个传输符号的传输期间都要进行信道估计。这种导频模式对频率选择

29、性衰落比较敏感，适合用于相位补偿和载频的微调。导频。数据时域图梳状导频（）离散导频离散导频结构，较前两种导频分布结构要复杂得多，它要在时域和频域两方向上都等间隔的插入导频信号。为了能比较准确的估计边缘处的值，要使第一个第三章系统上行信道估计算法子载波和最后一个子载波上都包含有导频信号，并尽量使每帧中的第一个和最后一个传输符号内都要包含有导频信号。这种导频结构可同时用于信道估计和载频偏移的微调。导频数据导频数据时域时域图矩形导频分布图多边形导频分布需要说明的是，在系统中，上行链路信道估计采用的是块状导频结构，导频排放位置是一个子帧中第四个和第十一个符号上全部子载波用作导频。因此，频域上不再需要进

30、行插值，只需要对导频子载波上的信道估计值采用一些滤波降噪处理，在一定程度上提高导频子载波上的信道估计值的精度。基于的信道估计准则通常所说的估计是指最小方差准则（），它是较为常用的估计准则。假定：（）（，办）刀（）（）其中乃（。，：）是被估计的随机参量。（，办）为有用信号，刀（）为噪声。假设得到观测样本：，。】（），是从（，时间内对观测样本（）采样得到的。为矢量，每次观测满足，进行次观测，如果膨次观测中随机矢量不变，为观测矩阵，扁，吃，为（吼×）矩阵，为噪声。第次观测得到：对次：（）（）系统上行信道估计算法研究与实现其中：引引引，估计的代价函数为：（矗）（一娃）（一娃）。叮。卟一一一一

31、一一一一一一一，铂（）吖一遏加、小阻一，啊将上式展开得到：，磊、一鬈：一力托如球一蚓仔，“如；，撕卜引可得，丘，矗的推导如下：¨肛眺麓篓心卜，：外伊弘一如气，（）（沙。（州即有：一五：（）岔五。（）甓），（）鬈一如（）忘。（）磊），¨一砌蹦城釜，一嘞魄啊，弋，。（）瓦：（）忘瓦。（碱）（）（）（）将（）式和（）式代入，矗，矗中，推导如下：第三章系统上行信道估计算法，叮司。一（五。（）磊五：（）磊五。（）磊）一（置，（）：（）忘五。（，）元）（）一（气。（）磊：（，）忘。（，）磊）冥中：，肘估计实际就是使得（矗）最小。对求偏导数：一掣嘉（卜，矗毯合）捌（娃）令上式为零：（）（

32、娃船）故有：矗朋一（）准则的目标是使岱：岱最小，在频域高斯独立子信道的假设下，估计就可以简单的表示成除法，得到准则的信道估计为：昭岱比日（）其中为傅立叶变换矩阵，（日），代入上式有：白岱一；（），一（）叫（）（白船）（。）（）（高斯白噪声均值为，方差为）故还是无偏估计。算法受高斯白噪声和子载波间干扰的影响很大，所以这种估计算法的准确度受到限制，但由于估计只需要知道观测方程的观测矩阵，对于待定的参数和观测噪声，以及观测样本的其他统计特性，都不需要其他先验信息。此系统上行信道估计算法研究与实现外，在允许一定误差范围内，它的实现复杂度很低，这是的最大优势。基于的信道估计准则因为基于准则算法的精确度不

33、高，为了提鬲估计算法的精确度，基于准则的估计算法将利用信道估计的一些信息，来提高信道估计的精确度。假设自信道估计值，真实值，则一自，它的为：一自一白（）就是使得¨最小。口一自一矗）（矗一）（矗一）（）为变换矩阵，假定对于接收信号有：（）（）：、（肼）（一月）一肼删）一叫蚯欲使得上式最小，即对上式相对于爿求偏导数，并令结果为熹一妇：日。日弘）删盯（）（）（）彩）、。（）得到：定义：）因此：（）（）（）第三章系统上行信道估计算法胛（）（）（）（删何一（）（）（）（删仃得到：蚴胃（删仃）叫：勰（），矗岱其中：盯为噪声方差。算法对于高斯白噪声有很好的抑制作用，并充分利用了信道自相关矩阵朋，所

34、以算法性能要优于算法性能。但是算法最大的缺点在于复杂度太高，不易求得，并且需要求相关矩阵的逆，运算量较大。因此，算法在实际应用中受到了一定限制。一般地，对于删的求法有以下几种途径：（）简化成固定的某个模型，这样的方法比较简单，但局限性比较大，譬如：将其简化成指数模型，那么对于其它信道可能就不适用了。（）将功率时延谱进行傅立叶反变换，就可以得到频域自相关函数。（）通过仿真统计得到自相关函数，这个运算量较大，复杂度也相对较高，但适用范围比较广。我们仿真采用的是最后一种方法，即：通过统计求得自相关函数删。信道估计算法仿真性能比较系统结构图为了验证以上的分析结果，我们对物理层仿真平台以模块化的方式设计

35、，每个模块依据功能划分，可独立灵活配置参数，并且具有较好的扩展性和重用性。在此通用平台上，结合规定的空中接口规范，搭建物理层仿真链路结构图。系统上行信道估计算法研究与实现图链路系统结构图根据物理层仿真流程整个系统可以划分为发送端、信道和接收端三部分，具体链路的模块由通用模块和专用模块组成。通用模块包括信道模块、信道编译码模块、调制解调模块、模块、模块等。专用模块包括成帧模块、子载波映射模块等。整体系统结构设计流程大致如下：在发射链路中，首先产生二进制信源数据，对二进制输入数据进行编码、交织，并进行星座调制；在调制后对数据进行变换、数据子载波映射。此时可插入参考信号以备信道估计之用，经过处理后，

36、再添加循环前缀，然后组帧，进入信道进行传输。在接收链路中，接收信号首先解帧，然后去除循环前缀，经过处理后进行子载波解映射，提取参考信号位置的数据，进行信道响应估计。解映射后利用信道响应进行频域均衡，然后对均衡后的数据进行变换。对变换后的数据进行解调，将得到的软信息进行解交织后译码，得进制输出数据。物理层采用了性能比较好的码【】的编译码方式。它是一种并行级联的系统卷积码，这种译码具有反馈式的迭代结构。译码器中的交织器与相应的多次迭代译码起到随机译码的作用，同时对有突发错误的衰落信道起到化突发为随机独立差错的作用，可以获得接近香农极限的性能。在移动无线传播环境中，由于移动台和周围反射体的运动，到达

37、接收端的多径信道是时变的，各多径信号分量的频率发生了变化，即多普勒频移。从而引起多普勒频移扩展。我们可以通过改变不同的多普勒频移大小，达到改变速度的目的。下面的公式反映了多普勒频移与速度的关系：卿以×詈（）上式中系统载频为疋，为移动体移动速度，为光速。第三章系统上行信道估计算法仿真结果本文研究信道估计的仿真是采用系统的全链路，由于传输都是以子帧为单位的，一般考察其误帧率（）大小。仿真曲线中横轴为信噪比（），纵轴为误帧率（）。在系统中，有（与等效）信道，信道、信道，本文采用的信道是信道，该信道显著的特点是：时延大，频率选择性强。计算机仿真了不同准则下的信道估计与理想信道估计性能的对比。

38、下表为全链路仿真采用的参数配置情况：表系统仿真参数列表系统仿真参数表调制方式，多径数目码率多径时延陀或多径功率索引信道类型多普勒一，大小有用数大小，信道频移饵）一帧中的数目尼模式一个块中的长度对上述仿真参数表中部分参数作以说明。这里的码率指的是码的编码速率，大小是指一个中包含的频域子载波数目。信道采用典型城市信道（信道）。根据公式（），我们可以求得多普勒频移分别为、和时，对应的速度分别为、，。本节对于基本准则（和）仅做了多普勒频移为，调制，码率和调制，码率的仿真比较，可以看出估计和估计的性能差别。见仿真图和图。系统上行信道估计算法研究与实现岔山匕瓣髻喽占毒鬈图估计估计性能比较图和图是不同调制方

39、式下，对基于准则和准则的信道估计与理想信道估计（）的性能曲线比较。多普勒频移为舷时，通过式（）可以求得，对于低速下（）的插值我们选择采用平均的方式来获得整个子帧的信道响应值。图说明调制下估计大概在左右，可以达到一，估计在大概左右，可以达到；同理，调制下估计大概在左右，可以达到一，而估计在就可以达到一。可以看出，不同调制方式对相应的估计准则性能第三章系统上行信道估计算法有一定影响；相同调制方式下，基于准则下的信道估计算法的误帧率随信噪比增大的而下降，并且估计性能要优于估计性能。改进的上行信道估计算法前两节对信道估计基本准则：准则和基本准则，做了详尽的公式推导，传统的信道估计算法大多是基于这两种准

40、则，再通过不同的插值方式【删，获得信道响应估计值。常用的有插值方式有：线性插值，高斯插值和三次样条插值等。不同的插值方法有其一定的优缺点：采用线性插值，虽然简单但准确度不够；而采用后两者，性能较好，但实现起来复杂度较高，实用性略差。考虑到实际应用性，在宽带无线通信系统中，信号通常经历非常严重的频率选择性衰落，为了抵抗衰落的影响，需要频繁发送大量导频以便于准确估计出时变的信道冲击响应。这种情况下，为了减少导频开销以提高系统效率，同时避免信道估计精度降低带来的系统性能下降，在增加有限复杂度的条件下，能够实时准确地估计出高速场景下的信道响应值，迭代的思想无疑为我们提供了一种很好的思路。算法概述判决反

41、馈方法基本思路是对两个信息符号而言，将前一个数据符号中经判决反馈计算得到的信道估计值作为当前数据符号解调的信道估计预测值。该方法的基本原理是：首先发送一个训练符号，使接收机根据该训练符号得到信道响应估计的初始值，并作为第一个数据符号解调的信道状态信息。接收机接收到第一个数据符号后，对该符号进行均衡，均衡后的结果送入判决器，硬判决后得到的是，序列，进行调制将其映射到相应调制方式星座图上。同时，将判决结果当作已知信号反馈到信道估计模块进行信道估计，得到判决反馈信道估计值，当接收机接收到第二个数据符号后，用前一个数据符号得到的判决反馈信道估计值作为第二个符号的信道估计，同样对其进行均衡和解调，同时计

42、算判决反馈信道响应估计值，并将其作为第三个数据符号的信道响应预测值；并依此类推迭代更新。在信道估计模块中，根据判决值（后）和接收信号】，（七），通过估计得到下一个传输数据符号的信道响应估计值。在判决反馈中，不管在信道估计模块里采用何种具体的信道估计算法，都是将判决值作为己知信号来进行信道估计。接收信号经过均衡器和判决器后可以降低部分噪声影响，因此该方法可以在一定程度上提升估计的准确度。缺点是当符号中出现错误时会产生误差扩散，导致系统的性能下降，只有当训练序列重新到达的时才能重新工作。系统上行信道估计算法研究与实现前文介绍的现有算法大都基于信道估计的两个最基本的准则：准则和准则。在不同的准则下进行插值或平均，从而估计出整个子帧的信道响应值。本节针对上行链路的导频结构，即：一个子帧里面有个符号（），如果该帧中包含有信号，那么第一个符号放置信号，剩下的个符号里面有两个符号（第四个和第十一个符号）的所有子载波上全部用作导频信号。但在快衰落信道条件下，这种导频模式有一定弊端，不能够很好的跟踪信道的变化，因此信道估计精度也受到很大限制，导致误码性能的损失。为了在快衰落条件下有效跟踪信道特性，提出改进的信道估计算法，该算法分别利用均衡以及译码后的输出进行反馈迭代，以提高信