基于导频的FBMC/OQAM系统的信道估计方法

龚　帅, 周小平, 李　莉, 王　珍, 王家南

(上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234)



基于导频的FBMC/OQAM系统的信道估计方法

龚帅, 周小平, 李莉, 王珍, 王家南

(上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234)

摘要:与正交频分复用(OFDM)技术相比,滤波器组多载波技术(FBMC)拥有更高的频谱利用率以及更容易实现的脉冲整形,被看成潜在的替代OFDM作为未来5G物理层的备选技术方案.然而,在实际应用中,由于FBMC/OQAM系统中滤波器仅仅在实数域满足正交,在虚数域存在固有干扰,所以经典的OFDM信道估计的方法不能直接应用于FBMC/OQAM系统的信道估计中.针对这个问题,给出了一种新的基于离散导频的信道估计方法,该方法将对导频造成干扰的数据块进行分区域处理,在不同区域分别使用不同的干扰消除方案,分步消除固有干扰.通过仿真表明,所提出的方法使得信道估计性能得到了明显改善,提高了FBMC/OQAM系统的性能.

关键词:信道估计; 离散导频; FMBC/OQAM; 虚部干扰

0引言

正交频分复用(OFDM)技术由于对抗多径时变传输信道时的健壮性从而被人所知,并广泛应用于现代无线通信网络中.但是随着时代的发展,用户对通信系统中数据传输的速率和容量的需求不断攀升,如何在现有频谱资源有限且进入枯竭的情况下,最大化利用频谱资源已经成为了现代通信系统中亟待解决的问题之一[1].与现在使用的OFDM技术相比,滤波器组多载波技术(FBMC)无论在频谱利用率还是在频谱泄露方面都展现出了优异的性能,正是基于以上原因,FBMC技术已经成为未来替代OFDM技术作为5G物理层的一个可选技术方案[2-3].

在FBMC with offset quadrature amplitude modulation(FMBC/OQAM)系统中由于相邻滤波器只在实数域满足正交,所以在复数域存在着虚部固有干扰.那么在OFDM系统中使用的信道估计方法在FBMC/OQAM系统中就不再适用[4].由于信道估计可对信道状态进行准确分析,而导频插入位置在一定程度上会影响信道的估计效果,从而影响系统的传输性能.因此为了准确获得导频位置上的信道估计,需考虑设计抵抗固有干扰的方案,尽最大可能地去消除固有干扰对导频的影响[5].针对消除对导频造成干扰的干扰项,将主要讨论基于离散导频的信道估计策略.

文献[6-8]针对离散导频设计了不同的方案来消除对导频的干扰.文献[6]给出了辅助导频(AP)方案,就是在原来导频的基础上提出了增加新的辅助导频,专门用来消除掉对原有导频的干扰,却伴随着极大的额外功率损耗,另外文献[6]还提出了Modified Interference Approximation Method(MIAN)导频设计方法,将导频周围对导频造成干扰的数据块留空,原来对导频造成干扰的数据块的位置不再发送数据,那么对导频造成的影响就会为0,简单有效地消除了干扰,同时也避免了系统额外计算量的增加,另一方面,这种方式也造成了频谱资源的极大浪费.文献[7]提出的方法是在导频附近设计适当的编码矩阵(coding方案),编码矩阵和对应的干扰系数向量之间正交,从而来消除对导频造成的干扰.虽然coding方案没有引起额外功率损耗,但却只编码了周围8个数据符号,并没有完全消除固有干扰.文献[8]则提出了更为复杂的基于连续干扰消除的迭代信道估计算法,需要联合信道估计和导频周边有效载荷符号的检测,有时候甚至是解码.

本文的结构如下,第一部分描述了基于FBMC/OQAM通信系统的离散导频信道估计的系统模型.第二部分基于文献[6]和文献[7]的基础上,给出了一种新的分区域处理干扰的信道估计方法,并对其做了详细论述.第三部分对提出的方案进行误比特率的仿真分析.第四部分进行总结和展望.

1系统模型

如图1的FBMC/OQAM系统中,在发送端假设包含了M个子载波,子载波之间的间隔为1/T,其中T为复实数信号在时间域之间的间隔.

图1　 FBMC/OQAM系统的基本框架

每一个复实数信号被划分为一对实值脉冲振幅调制(PAM)信号,PAM信号在时频域的信号可以表示为sm,n,其中m,n分别代表频域和时域的标量,对应于第m个子载波和第n个时域信号,滤波器组的脉冲响应为g[k],则对应的基带传输的FBMC/OQAM的等效信号可以表示为:

(1)

频偏滤波器的脉冲响应为gm,n[k],已经包含在式(1)中,其表达式如下所示:

(2)

假设讨论的发射端和接收端之间的信道为平坦慢衰落信道,并且信道的延迟拓展显著短于符号间隔,因此每个子载波信道都可以看成是平坦的信道.使用Hm,n来表示时频域(m,n)处的信道频率响应.此外,假设信道之间的噪声为复加性高斯白噪声,方差为σ2,则通过信道后接收端接收到的信号可以表示为:

(3)

(4)

其中〈g〉m,nm+p,n+q定义为〈g〉m,nm+p,n+q=-j〈gm+p,n+q|gm,n〉.在时频域的二维平面上,以导频sm,n为中心(包括导频位置)的时频域平面可以表示如下:

(5)

那么除去导频所占的位置,剩下其他对导频造成干扰的区域Ω*可以表示为:

(6)

那么在导频位置的信道频率响应为:

(7)

进一步化简式(7)可以得到:

(8)

(9)

2分区域处理干扰的信道估计策略

对导频造成干扰严重的数据集中在以导频为中心很小的范围内,且数量不多.相反,对导频造成干扰比较小的数据块则比较分散,数量则很大,甚至在距离导频很远位置的数据仍然会对导频造成一定的干扰,这些数据块的干扰系数虽然很小,但是对信道估计造成的影响仍然不可忽略[5].假设s1～sL为对导频造成干扰的所有数据,将干扰系数按绝对值从大到小排列,首先考虑消除导频周围干扰系数比较大的前N个数据s1～sN造成的干扰.假设编码前的N个数据符号构成的向量为SN.用β1-βN表示这N个数据所对应的干扰系数,那么干扰系数对应的向量为TN,这N个数据对导频造成的干扰量MC可以表示为:

(10)

同理将剩下的L-N个数据做相似的处理,可以得到L-N维数据向量SL-N和对应的干扰系数向量TL-N,这L-N个数据对导频造成的干扰MO表示为如下:

(11)

由式(10)和(11),导频受到的总干扰可以表示为:

(12)

由于对导频造成干扰的数据具有本节开始提到的分布特征,所以考虑将对导频的总干扰数据划分为2个区域进行处理.一般将如图2所示的s1～s8划分为第一个区域,剩下干扰区域为第二个区域.

(13)

推出这N个数据对导频造成的总干扰MC如下表示:

(14)

其中CN和SN都是N维向量空间的N维向量,假如CN和SN和N维向量空间的一组正交基,那么式(14)中MC将为0,即消除了前N个数据对导频造成的干扰.

图2　导频周围对导频造成干扰的数据块

对于剩下的L-N个数据,由于L-N的数量远大于N的数量,如果使用和前N个数据一样的干扰消除策略,随着编码向量位数的增加,在接收端和发射端会导致计算复杂度的急剧增加.因此对于剩下的L-N个数据,考虑使用辅助导频(AP)的策略[6]来处理剩下的数据块对导频造成的干扰.在剩下的L-N个数据块中选取尽量靠近导频位置的一个数据块,假设数据块上数据为sp,与此相对应的干扰系数为tp.将式(14)代入到(12),则导频总的干扰量为:

(15)

其中第一项为前N个数据块使用编码向量编码后的干扰,第二项为第L-N个数据块使用辅助导频方案之后,剩下L-N-1个数据的干扰,第三项为辅助导频的sp的干扰.在式(15)中使用编码向量的方法选取与干扰系数正交的单位正交向量,可以使得第一项为0,同时因为选取的编码向量为单位正交向量,所以并没有产生额外功率损耗.对于式(15)中的后两项,由于干扰系数已知,但发送的数据并不知道,所以辅助导频sp并不发送实际数据,而是用来消除干扰,使其满足:

(16)

从而完全消除了对导频造成的固有干扰.

3仿真分析

仿真中考虑以文献[6]中的AP方案和文献[7]中的coding方案为基准,在isotropicorthogonaltransformalgorithm(IOTA)原型滤波器的基础上对系统的误比特率进行仿真.仿真使用的信道为多径衰落信道,多径条数为6,功率分布为:-6.0,0.0,-7.0,-22.0,-16.0,-20.0dB,时延分布为:-3,0,2,4,7,11μs.子载波数为2048,调制方式为16QAM,重叠因子为4.

图3　3种方案的误比特率仿真

仿真结果如图3所示,由于coding方案仅仅考虑了导频周围的8个数据对导频造成的干扰,所以并没有完全消除固有干扰,所以使用coding方案的系统性能最差.相比于coding方案,使用AP方案系统的误比特率得到了明显的改善.由于本方案在消除掉对导频造成干扰比较大的干扰项之后,对剩余的干扰数据继续使用AP方案进行干扰消除,所以在接收端得到的误比特率会优于纯粹使用辅助导频的方案.仿真结果也证明了在系统的误比特率方面,本方案优于AP方案.

4结论和展望

注意到由于OFDM系统中信道估计的方法不能直接用到FBMC/OQAM系统的信道估计中,离散导频就常被使用到FBMC/OQAM系统的信道估计中.为此,在现有研究的基础上给出了一种新的基于离散导频的信道估计方案,相比于原有方案提高了系统的信道估计性能.由于假设是基于单发送天线和单接收天线的系统,且每个子载波上的信道都是平坦衰落的,然而,随着5G时代的到来,将FBMC/OQAM系统运用到MIMO系统中成为MIMO-FBMC/OQAM系统将成为可能[9],并且考虑传输信道的频率选择性,现有的信道估计技术将会面临着巨大的挑战,这也是未来移动通信研究中所必须要解决的问题.

参考文献:

[1]Renfors M,Bader F,Baltar L,et al.On the use of filter bank based multicarrier modulation for professional mobile radio [C]//IEEE.Vehicular Technology Conference (VTC Spring) IEEE 77th.Dresden:IEEE,2013.

[2]Andrews J G,Buzzi S,Choi W,et al.What will 5G be? [J].Selected Areas Communication,2014,32(6):1065-1082.

[3]Wunder G,Jung P,Kasparick M,et al.5G NOW:Non-Orthogonal,Asynchronous Waveforms for Future Mobile Applications [J].Communications Magazine IEEE,2014,52(2):97-105.

[4]Dore J,Berg V,Ktenas D,et al.Performance of FBMC Multiple Access for relaxed synchronization cellular networks [C]//IEEE.Globecom Workshops (GC Wkshps).Austin:IEEE,2014.

[5]Saeedi-Sourck H,Sadri S,Wu Y,et al.Near maximum likelihood synchronization for filter bank multicarrier systems [J].IEEE Wireless Communications Letters,2013,2(2):235-238.

[6]He X J,Zhao Z F,Zhang H G.A pilot-aided channel estimation method for FBMC/OQAM communications system [C]//IEEE.International Symposium on Communications and Information Technologies.Gold Coast:IEEE,2012.

[7]Lele C,Legouable R,Siohan P.Channel estimation with scattered pilots in OFDM/OQAM [C]//IEEE.IEEE 9th Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications.Recife:IEEE,2008.

[8]Lele C.Iterative scattered-based channel estimation method for OFDM/OQAM [C]//IEEE.EURASIP Journal on Advances in Signal Processing.Milpitas:IEEE,2012.

[9]Caus M,Perez-Neira A.Multi-Stream Transmission for Highly Frequency Selective Channels in MIMO-FBMC/OQAM Systems [J].Signal Processing,IEEE Transactionson,2014,62(4):786-796.

(责任编辑：包震宇)

Channel estimation method for FBMC/OQAM system based on pilot

GONG Shuai, ZHOU Xiaoping, LI Li, WANG Zhen, WANG Jia′nan

(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

Abstract:Compared with orthogonal frequency division multiplexing technology (OFDM),filter bank multicarrier (FBMC) technique has higher spectrum using rate and easier achieved pulse shaping.It was seen as a potential replacement for OFDM as future 5G physical layer of alternative technical solutions.However,in practical applications of the estimation of the channelFBMC with offset quadrature amplitude modulation (FBMC/OQAM) system,the FBMC/OQAM system in the filter only orthogonal in the real domain satisfies,there is a natural interference in the imaginary domain,so the classical orthogonal frequency divided multiplex channel estimation methods cannot be directly applied.Aiming at this problem,this paper proposes a new discrete pilot based channel estimation method,in which will be the pilot caused by interference of the data block partition domain processing,in different regions use different interference cancellation scheme,stepwise elimination the imaginary part of interference.The simulation shows that this scheme makes channel estimation performance has been significantly improved,and improve the performance of FBMC/OQAM system.

Key words:channel estimation; scattered pilot; FMBC / OQAM; imaginary interference

中图分类号:TN 929.5

文献标志码:A

文章编号:1000-5137(2016)02-0161-05

通信作者:周小平,中国上海市徐汇区桂林路100号,上海师范大学信息与机电工程学院,邮编:200234,E-mail:zxpshnu@163.com

收稿日期:2016-01-06