基于IEEE802.16d系统的简易信道估计算法

易 淼

（1.宜春学院物理与工程技术学院,江西 宜春 336000;2.桂林电子科技大学信息与通信学院,广西 桂林 541004）

0 引言

无线城域网（Wimax）指的是无线通信网路覆盖范围大于无线局域网的一种无线通信技术,在IEEE802下设IEEE802.16来负责城域网,其中的IEEE802.16d是固定宽带无线接入系统的标准。

在IEEE802.16d系统中,系统高速采样而导致循环前缀的长度小于无线信道的最大多径时延时,当采用基于导频辅助的信道估计,需要消除接收端的ICI和ISI的干扰,否则信道估计性能十分不理想。一种有效的时域方法是对长时延扩展信道进行时域均衡压缩,使无线信道的多径时延长度小于循环前缀CP的长度。但压缩后的有效信道冲激响应在频谱上会出现零陷点,而且算法收敛较慢,需要大量训练序列,不适合在IEEE802.16d系统中应用,可从频域来消除干扰,即寻求一频域干扰消除矩阵,但同时也带来了太大的额外复杂度,实用价值不大。

该文提出了一种用IEEE802.16d系统前导码的特殊时域结构来消除干扰的简易信道估计算法。

1 CP不足对信道估计性能的影响

OFDM系统导频信道估计模型如图1所示。

图1 OFDM系统基于导频信道估计模型图

记Pi=[0i,0…0i,NO-1pi,0,…,pi,Nu-10i,0…0i,NO-1],为第i个导频符号,其中NO为系统保护带虚载波数,Nu为有用子载波数。若N为总载波数,则有N=Nu+2No。经过N点IFFI后导频的时域为Pi=FHPTi,其中F为N维傅里叶反变换单位矩阵。在加上长度为V的CP并经过串并转换后,OFDM符号通过属加性高斯白噪声序列影响的多径衰落信道。记h=[h0,h1,…hL]T表示长度为L的信道冲击响应。

在接收端,串并转换后CP被除去。FFT之前的导频时域接收信号向量可表示为:

HCIRC、HICI和HISI均为N×N的矩阵。它们分别由式（2）、式（4）和式（5）给出,其中E=L-V-1。从式（3）可以看出,若V不小于L,则干扰矩阵HICI和HISI为:

均为零矩阵,此时就无ISI和ICI的干扰,采用适当的信道估计算法就可以很准确地得到被估计信道。但当V小于L即CP不足时,残余ISI导致的当前符号内的ICI和前一个符号带来的ISI会影响接收端的导频信号,此时不管采用何种估计算法都很难准确估计出信道。

2 固定接入Wimax中CP不足时的信道估计

2.1 干扰的消除

固定接入Wimax系统的信道估计主要采用基于导频的频域信道估计,导频利用前导码中的2个特殊OFDM训练数据。从式（1）可看出,当CP不足时接收端导频信号的干扰来自该式右边的第2项和第3项,若能抑制该2项的影响,则干扰就可完全消除。容易看出最理想的消除ICI和ISI就是使

从式（4）和式（5）可得出:

即第1个导频OFDM符号在时域从任何时刻开始的V个采样值需与第2个导频OFDM符号中滞后V个采样间隔时间的V个采样值相等。图2为前导码中2个特殊OFDM导频符号时域结构所需满足的条件示意图（其中P表示一任意的采样时刻）。

图2 固定接入Wimax中无干扰信道估计前导码时域结构图

为了尽最大可能无ISI和ICI的干扰,系统循环前缀一般取最大值1/4,即64个采样间隔的时间（V=64）。而该系统前导码中的第1个特殊OFDM符号在时域刚好为4个64重复的样值序列,其时域结构图如图3所示。

图3 前导码中第1个OFDM符号的时域结构图

应用此前导OFDM符号在时域特殊的样值结构便可很方便构得该系统下CP不足时无干扰信道估计的前导码形式,即只需发送2个连续该特殊的OFDM符号作为系统导频估计的前导码,在接收端便可完全消除干扰。

2.2 信道估计

该文应用的信道估计算法为常用的LS算法和LMMSE算法。

2.2.1 LS算法

若假设H为信道的频域响应向量,X和Y分别为发送和接收信号向量的频域表示,n为高斯白噪声,则有Y=XH+n。则:

2.2.2 LMMSE算法

3 仿真结果

参照IEEE802.16d标准,仿真所用的OFDM系统采用256个子载波（N=256）,其中55个空闲子载波,1个直流子载波,200个数据子载波。采用16QAM调制,系统带宽BW=20MHz,循环前缀CP取最大值1/4。多径信道为SUI4信道,其最大多经时延为4μs,取仿真帧长为0.5ms,每帧中的开头为一个符合上文要求的前导估计头,后续的OFDM符号传输数据。

图4为LS算法的均方差比较图,由于此时OFDM符号的1/4循环前缀时间小于SUI4的最大多径时延,系统存在ISI和ICI的干扰,误差很严重。从图中能清晰地看出采用该文的前导码形式后能很好地降低均方误差,估计的信道信息更接近真实信道。图5为分别采用上文所述的2种信道估计算法系统性能比较图,从图中可以看出当系统存在干扰时,不管是采用LS还是LMMSE,性能都很不理想,无法满足系统的性能要求。但当应用该文的方法消除干扰后两者的性能都大大改善,LMMS算法由于不易受噪声的影响性能更优越。

图4 20MHz带宽SUI4下估计均方差比较

图5 20MHz带宽 SUI4下算法的性能比较

4 结束语

给出了固定Wimax接入系统中在高速非视距环境下一种消除干扰的简易信道估计方法,仿真结果表明采用该方法后可以在保证高传输速率的前提下仍能准确地估计信道信息,并且这种方法充分利用了Wimax无线帧的资源,没有增加系统资源开销,因此有很大的现实参考价值。

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