DFT-S-GMC系统中均匀导频信道估计方法性能分析

谢 涛,杨 雷,王 丹

(1.中国空空导弹研究院,河南 洛阳 471009;2.河南科技大学 电子信息工程学院,河南洛阳 471003)

DFT-S-GMC系统中均匀导频信道估计方法性能分析

谢 涛1,杨 雷2,王 丹2

(1.中国空空导弹研究院,河南 洛阳 471009;2.河南科技大学 电子信息工程学院,河南洛阳 471003)

针对我国提出的离散傅里叶(DFT)扩频广义多载波(DFT-S-GMC)系统,给出了使用均匀分布导频的信道估计方法。该方法首先采用最小二乘算法估计导频音的信道频响,然后内插或外推非导频音的信道频响,再利用信道频响DFT过采样特性,数据块特定用户数据子带信道频响可由与之对应的导频块内子载波处信道频响线性内插获得,并在时间维上线性内插出数据子带处的信道频响。最后,通过仿真比较分析了高低阶插值、内插外推方法以及导频密度对信道估计方法性能的影响。

DFT扩频广义多载波系统;信道估计;最小二乘;内插;外推

1 引 言

目前,3GPP LTE(或B3G)正建立一个能获得高传输速率、低等待时间、基于包优化可演进的无线接入架构。针对LTE物理层的上行传输要求,我国提出了一种基于离散傅立叶变换(DFT)扩频广义多载波(DFT-S-GMC)系统上行传输方案[1-3],该方案具有低峰均比、对时频同步误差及多址干扰鲁棒的优势,可满足上行传输的基本要求。

由于无线信道的阴影衰落和频率选择性衰落对实际通信系统的影响比较严重,所以信道估计的好坏将直接影响到整个系统的性能优劣。目前,无线通信系统信道估计方法的研究已有很多[4-9]。然而,数据和导频采用的调制方式不同,这就对无线DFT-S-GMC系统的信道估计技术提出了很大的挑战。因此,在DFT-S-GMC系统框架下对信道估计方法进行研究是一项非常迫切且有意义的工作。目前,DFT-S-GMC系统信道估计方法的研究仍十分有限[6]。文献[6]仅对传统均匀导频分配方案和与数据子带映射的导频方案作了简单比较,均匀导频分配方案下导频密度、内插外推以及导频序列选择等问题仍尚未提及。

本文给出了适用于DFT-S-GMC系统模型均匀导频映射方案信道估计方法流程,并利用大量仿真实验对内插外推方法、高低阶插值及导频密度对DFT-S-GMC系统导频块和数据块信道估计性能的影响进行分析比较。

2 系统模型

DFT-S-GMC是一种基于DFT扩展和滤波器组的传输技术,它可以实现时频域的双正交,在DFT-S-GMC上行传输方案中,数据和导频采用了不同的调制方式:数据采用DFT-S-GMC调制方式,而导频采用传统的OFDM的调制方式,导频和数据之间则采用时分复用(TDM)方式传送,以实现用户间的频分复用,其带有信道估计的系统原理如图1所示。

图1 使用信道估计器的DFT-S-GMC系统框图Fig.1 Block diagram of DFT-S-GMC systems with channel estimation

图2 导频分配和与数据子带的对应关系Fig.2 Pilot allocation and the relationship between pilot subcarriers and data subbands

均匀映射导频分布方案导频子载波和DFT-S-GMC系统数据子带对应的关系如图2所示。图2中,特定用户u的个导频按照均匀映射方式映射到正交频分复用符号的相应位置上,其他子载波或子带为零,用于其他用户的频分复用,形成相应的导频映射序列为

根据奈奎斯特时频采样定理,导频的插入应该满足下述关系式:

式中,Bp为子载波带宽,Bc是信道的相干带宽。若式(3)不成立,则信道估计无法跟踪信道频率响应在频域维上发生的变化。然后,对映射后的导频序列式(1)进行逆傅里叶变换,插入循环前缀后形成短导频块,以完成导频子带调制。将形成的数据块和导频块按照IEEE 802.16e子帧参数[1]组成一个完整的DFT-S-GMC子帧并通过发射天线发射出去。

接收端首先按照IEEE 802.16e子帧结构对经过时变频选衰落信道的DFT-S-GMC子帧信号进行导频块的提取,去除循环前缀,根据特定用户导频子载波位置提取导频子载波位置的接收符号,则第 l个符号第pΔ个子载波处的接收导频符号可表示为

式中,H[l,pΔ]表示第 l个符号块传输期间在第pΔ个子载处的信道频率响应,W[l,pΔ]为加性高斯白噪声。由于在一个LTE子帧内,第2个短块和第7个短块是导频传输块,所以 l=2和7。然后,根据式(4),联合接收机已知的发端导频序列,可对导频块内特定用户子载波处的信道频响进行估计,进而恢复数据块内特定用户子带处的信道频响估计,用以计算接下来的信道均衡器系数。

3 信道估计方法

本节将研究均匀导频映射方案下DFT-SGMC系统特定用户数据子带处的信道频响的获得方法,估计流程如图1的信道估计模块所示,其算法流程步骤如下。

Step 1 对导频块内导频音进行频域最小二乘信道估计为

式中,导频块索引为 l=2和7。

Step 2 通过内插或外推获得导频块内非导频音信道估计。在图2数据子带和导频子载波对应关系中,实线箭头代表导频音,虚线箭头代表对应数据子带位置的非导频音。由于导频的放置有一定的间隔(为Δ),所以导频块内对应数据子带非导频音处的信道频响需要由导频音处的信道频响内插或外推估计得到。内插与外推的区别在于:内插是获得数据点之间新数据点值的方法,而外推是构造数据点之外新数据点的过程。所以对频率边缘处的信道频响进行外推,可以得到完整的信道频响。下面结合DFT-S-GMC系统工作原理,分别考虑两种内插或外推的方法[8-9]。

(1)线性内插与外推方法

第l个符号期间非导频音子载波 pΔ+δ处的信道估计可由下式线性内插得到:

频谱边缘子载波处信道频响可由下式线性外推获得:

(2)spline内插与外推方法

spline内插避免了用高阶多项式对等距点进行内插时产生的龙格现象(类似于傅里叶级数中的吉布斯现象),因此,这里考虑了spline内插和外推的方法恢复非导频音处的信道频响,其可由Matlab工具中interp1函数来实现,以得到整个导频块内信道频率的全响应为

Step 3 计算导频块内对应数据子带位置子载波处信道频响估计。由于16e子帧结构数据块长度是导频块长度的2倍,所以数据块内信道频响长度为导频块内信道频响长度的2倍[6]。为便于理解,我们利用图3给出了特定理想信道实现下256点导频块DFT信道频响和512点数据块DFT信道频响之间的过采样特性。由于信道频响存在DFT过采样特性,所以类似于文献[6],在短导频块内对相应子载波位置信道频响做线性内插即可得到短导频块内和数据特定子带等带宽的信道频响 HlLS。

图3 信道频响DFT过采样特性Fig.3 DFT oversampling characteristics of channel frequency response

Step 4 在时间维对数据块内特定用户数据子带信道频响进行线性内插为

式中,l=1,2,…,4。另外,第1个和第8个数据块的信道频响可直接由各自相邻导频块信道频响做如下外推为

4 仿真结果分析

考虑一个单发单收单用户DFT-S-GMC上行传输系统,其仿真参数的设置如表1所述。以下实验是独立进行10次的Monte Carlo仿真的平均结果,其中信道估计性能分别由导频块信道频率全响应估计的均方误差(MSE)和数据块数据子带信道频响估计MSE来衡量。

表1 仿真参数Table 1 The simulation parameters

4.1 高低阶内插与外推方法的比较

图4比较了不同信道下导频块线性内插、spline内插、线性外推和spline外推方法的MSE性能,其中导频个数为64,导频间隔为4,此时的导频分配方案适用于8个数据子带的用户,导频是CAZAC序列。结果表明:由于外推比内插预测出了频率边缘处的信道频响,所以外推比内插方法估计性能更优。又由于 PB信道比 VA信道频选更加严重,所以在VA60信道下,外推比内插带来了更大的性能增益。另外,在不同信道下的高信噪比端,高阶外推均好于低阶外推的估计性能,在PB3信道下,高阶内插优于低阶内插的信道估计性能,但在VA60信道下,高低阶内插性能几乎一致。这是由于在高信噪比端,对于PB3信道而言,和背景噪声相比,内插误差占主导,而对于VA60信道,背景噪声则占主要地位。

图4 导频块不同内插与外推方法MSE性能Fig.4MSE performance of different interpolation and extrapolation methods in pilot blocks

图5和图6分别给出了集中式数据子带和分布式数据子带映射模式下内插与外推MSE性能的比较结果。由图可知,在不同信道下,高阶内插或外推比低阶内插或外推估计性能更优,尤其在PB3信道下,性能改善更为显著。和导频块MSE性能不同,此时外推方法和内插方法相比优势并不明显。这是因为数据块MSE仅衡量特定用户数据子带处信道频响估计性能,和数据子带的位置有关,而导频块的MSE值评价的是信道全响应的估计性能,与数据子带位置无关。所以若特定用户不占用频率边缘的频带,则外推方法对内插方法的性能改善将不明显。

图5 集中式数据块不同内插与外推方法MSE性能Fig.5 MSE performance of different interpolation and extrapolation methods in localized data blocks

图6 分布式数据块不同内插与外推方法MSE性能Fig.6 MSE performance of different interpolation and extrapolation methods in distributed data blocks

4.2 不同导频密度下信道估计性能比较

图7～9分别比较了导频块、集中式或分布式数据块在导频密度为128/2、64/4和32/8时MSE性能,其非导频音外推方法是“spline”。可以看出,在PB 3 km/h信道和VA 60 km/h信道下,随着导频密度的减少,导频块和数据块的MSE性能都逐渐变差,也即对于大带宽用户基于均匀映射导频的信道估计方法性能优良,但当用户带宽比较小时,信道估计性能不理想。

图7 不同导频密度的导频块MSE性能Fig.7 MSE performance of different pilot densities in pilot blocks

图8 集中式数据块不同导频密度的MSE性能Fig.8 MSE performance under different pilot densities in localized data blocks

图9 分布式数据块不同导频密度下MSE性能Fig.9 MSE performance under different pilot densities in distributed data blocks

5 结 论

本文在DFT-S-GMC系统框架下研究了使用均匀导频的信道估计方法,给出了算法流程,仿真分析了内插或外推、导频密度及数据子带映射方式对信道估计性能的影响,并比较了导频块和数据块信道估计的MSE性能。分析得知,使用高阶外推的信道估计方法性能最好,大带宽用户的信道估计性能明显优于小带宽用户;导频块的信道估计MSE性能和数据块信道估计MSE不同,这是由于数据块的MSE考虑了DFT-S-GMC系统数据子带映射方式,所以使用数据块的MSE值对DFT-S-GMC系统信道估计性能进行分析是比较合理的。本文的研究工作将为DFT-S-GMC系统新信道估计方法的获得提供理论依据。

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XIE Tao was born in Luoyang,Henan Province,in 1977.He received the M.S.degree from Beihang University in 2011.He is now an engineer.His research concerns signal analysis and processing and computer testing technology.

杨 雷(1979—),男,河南洛阳人,2006年于河南科技大学获硕士学位,现为讲师,主要研究方向为信号分析与处理、智能传感技术以及计算机检测技术;

YANG Lei was born in Luoyang,Henan Province,in 1979.He received the M.S.degree from Henan University of Science and Technology in 2006.He is now a lecturer.His research concerns signal analysis and processing,intelligent sensor technology and computer testing technology.

王 丹(1979—),女,辽宁大石桥人,2009年于上海交通大学获博士学位,现为副教授、硕士生导师,主要研究方向为通信信号处理、计算机检测技术和多学科协同仿真与建模。

WANG Dan was born in Dashiqiao,Liaoning Province,in 1979.She received the Ph.D.degree from Shanghai Jiaotong University in 2009.She is now an associate professor and also the instructor of graduate students.Her research concerns signal processing on communications,computer testing technology and multidisciplinary collaborative simulation and modeling.

Email:wangdaniel2004@163.com

The National Natural Science Foundation of China(No.61101167);The Aeronautical Science Foundation of China(No.20110142002);The Scientific Research Foundation for the Doctors of Henan University of Science and Technology(No.09001409);The Youth Science Foundation of Henan University of Science and Technology(2010QN0019);The Science and Technique Foundation of Henan Province(No.112102210431)

Performance Analysis of Channel Estimation Using Pilots Allocated Evenly for DFT-S-GMC Systems

XIE Tao1,YANG Lei2,WANGDan2
(1.China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China;2.Electronic Information Engineering College,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China)

For the DFT spreading generalized multi-carrier(DFT-S-GMC)system proposed by China,the channel estimation method using pilots allocated evenly is proposed.Firstly,the channel frequency responses(CFRs)at the pilot tones are estimated as a rule of least square,which are utilized to interpolate or extrapolate the CFRs at the other frequency tones.Then,by exploiting the DFT oversampling characteristics,the CFRs at the user-specified date subbands of the data block can be obtained by interpolating linearly the channel estimates at the subcarriers positions of the pilot block corresponding to the data subbands.Finally,the channel estimates at the specified data subbands can be interpolated linearly in the time dimension by the estimated CFRs above.The influence of high or low order interpolation and extrapolation,and the pilot density on channel estimation are analysed and compared by simulations.

DFT-S-GMC system;channel estimation;least square;interpolation;extrapolation

TN911.7

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.020

1001-893X(2012)06-0933-06

2011-12-21;

2012-03-13

国家自然科学基金资助项目(61101167);航空科学基金项目(20110142002);河南科技大学博士科研启动基金资助项目(09001409);河南科技大学青年科学基金资助项目(2010QN0019);河南省科技攻关计划项目(112102210431)

谢 涛(1977—),男,河南洛阳人,2011年于北京航空航天大学获硕士学位,现为工程师,主要研究方向为信号分析与处理以及计算机检测技术;