MIMO-OFDM信道估计仿真实现

姜金富， 何海浪

（湖南省邵阳学院信息工程学院, 湖南 邵阳 422000）

0 引言

随着近几年来无线通信的迅猛发展，对下一代移动通信（4G）的研究已经开展得如火如荼。新一代移动通信可以提供更高的数据传输速率，在有限的频谱资源上实现高速率和大容量[1-3]。其中，OFDM可以有效地将频率选择性衰落信道转化成多个并行平坦衰落信道，从而大大提高传输效率。MIMO在原有传输带宽和功率消耗的基础上，在发射机与接收机之间并行传输多路独立数据，大大增加信道容量，成倍地提高频谱利用效率。将OFDM和MIMO技术相结合，可以兼具OFDM抗多径时延特性、抗频率选择性衰落、高频谱利用率和MIMO有效提高系统容量，显著提高网络覆盖范围和传输可靠性的优点。分析仿真了基于导频插入的SISO-OFDM LS信道估计方法，并在此基础上研究了MIMO -OFDM LS信道估计方法仿真实现。

1 MIMO-OFDM系统模型

MIMO-OFDM系统结构如图1所示，假设系统有NT个发射天线，NR个接收天线。串行信息比特流被分解成NT个数据流后，进行独立的映射、编码和OFDM调制，最后从NT个天线同时发送出去。若 OFDM系统的载波数为N，则共有N×NT个OFDM采样同时发送，在第n个OFDM符号周期，数据比特流{b[ n, k]:k=0,1,…,K -1}进入空时编码器，分成两路并行的数据流{ti[ n, k]:k=0,1,…,K-1,i=1,2}，然后分别进入 IFFT调制、再分别由两个天线同时发送出去。假定系统加了适当的保护间隔，且保持严格同步，则在第n个符号周期，接收天线 j上经解调后的 OFDM基带等效信号可以表达为[2]:

其中，Hij[n, k]是发射天线i与接收天线 j间第k个载波信道的频率响应;wj[ n, k]为接收天线 j上第k个载波信道上的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为δn2。其频率响应[1]：

其中K0表示多径数，

2 SISO-OFDM最小二乘（LS）算法

LS算法就是在不考虑噪声的条件下，估计信道的冲激响应向量h=[h0, h1,…,hN-1]T，使如下的定义的代价函数最小[3]：

其中，Y=[Y0, Y1,…,YN-1]T，X=diag(X0,X1,…,XN-1)，F为DFT矩阵，

其中,QLS=(FHXHXF)-1，把它代入式（3）可进一步得到[3]：

3 MIMO-OFDM最小二乘（LS）算法

在MIMO-OFDM中，每帧第一个OFDM符号全发导频，类似块状导频形式。第i个发射天线上时刻n第k个子载波上的信道频率响应为[4-5]：

ω[n, k ]为信道高斯白噪声。式（8）等价为：

对于两发两收MIMO系统，有：

其中：

4 仿真结果

现在分析在理想同步的情况下SISO-OFDM和MIMO- OFDM系统信道估计仿真结果，通过前面的论述，在MATLAB7.0平台下，建立基于导频信号的广义平稳的多径时变瑞利衰落信道模型，系统参数为5 GHz载频，20 MHz带宽，50 ns采样间隔。OFDM采用K=64个子载波, 循环前缀长度为16个样点，仿真信道考虑室内无线信道环境，其功率延迟谱服从负指数衰落，最大多径时延为450 ns，采用QPSK调制，每条时域多径均为采用瑞利衰落信道，且彼此独立。

图2为SISO-OFDM和MIMO-OFDM系统中LS估计算法BER性能比较曲线图，其中横坐标是信噪比，单位为dB，纵坐标是误码率。从仿真结果可以看出MIMO-OFDM系统中LS估计算法在误码率性能上要优于SISO-OFDM系统10～20 dB。

5 结语

在研究 SISO-OFDM信道估计技术的基础上，针对 MIMO多天线的系统特性，分析并仿真研究MIMO-OFDM中最小二乘信道估计算法。仿真结果表明在多径Rayleigh信道条件下，MIMO-OFDM LS算法在误码率性能上优于SISO-OFDM。

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