OFDM系统中基于导频的TGn信道估计

刘先桥，高 霞，曾 纪

（1.军委装备发展部军事代表局驻某地区军事代表室，重庆400030；2.重庆金美通信有限责任公司,重庆400030）

OFDM系统中基于导频的TGn信道估计

刘先桥1，高 霞2，曾 纪2

（1.军委装备发展部军事代表局驻某地区军事代表室，重庆400030；2.重庆金美通信有限责任公司,重庆400030）

正交频分复用（OFDM）是一种正交的多载波复用技术，信道估计技术作为正交频分复用系统中的关键技术得到了广泛关注。研究了OFDM系统中基于导频的TGn D信道估计。基于导频的信道估计首先需要对训练序列进行信道频域响应估计，利用本地训练序列和接收到的训练序列进行最小二乘估计得到；随后再计算每个OFDM符号中导频子载波的信道频域响应；对导频子载波的信道频域响应进行插值，可得到数据符号的信道信息。常用的插值方法为线性插值法和平均值法。仿真对比了两种算法的估计效果，仿真结果表明平均值法计算量小，得到的信道估计效果更佳，易于硬件实现。

OFDM系统；TGn D信道估计；训练序列；导频；均衡；插值

1 引言

OFDM技术的基础是正交多载波，是一种多载波扩频技术，最大的优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰[1]。在OFDM系统中，各个子信道的载波相互正交，频谱相互重叠，不但减小了子载波间的相互影响，还提高了频谱利用率。在接收端OFDM采用相干解调，由于无线信道在时域和频域具有选择性衰落的特性，必须进行信道估计来获得信道信息。

信道估计一般分为非盲估计和盲估计，这里讨论的是基于导频的非盲估计[2]。这种方式需要在发端适当位置插入导频符号，接收端利用导频符号恢复出导频位置信道信息，利用插值算法来获取其余数据符号位置的信道信息。在有前导符号进行初步信道估计的基础上，利用各个数据符号的导频位置信道信息对信道进行跟踪，这里使用线性插值法和平均值法对TGn D信道进行信道跟踪，并通过仿真比较两种方法的优劣。

2 系统模型描述

2.1 OFDM系统描述

假设信道环境满足以下条件：①信道最大延迟小于保护间隔长度，②信道变化足够缓慢，可以保证在一个OFDM符号长度内信道冲激响应保持不变。接收信号经FFT后可表示为[3]：

sk,l为第个OFDM符号的第个子载波上的频域发送信号为第 l个OFDM符号的第k个子载波上的频域接收信号其中为第 l个 OFDM符号的第k 个子载波的信道频域响应，为第 k个子载波的频域噪声，方差为

2.2 TGn信道模型描述

TGn模型是IEEE802.11n仿真采用的信道模型[4]，该模型适用于2GHz和5GHz频段，其应用范围很宽，可以在办公室、工业建筑、展览大厅和家庭等环境中使用，不同的应用环境具有不同的信道模型，一共6种模型组成了完整的TGn信道模型。表1列出了六种模型对应的时延扩展数，簇个数，多径数目，最大多径时延及对应的应用场景。

表1 TGn信道模型概况

3 信道估计与跟踪算法

3.1 基于训练序列的信道估计

首先利用训练序列直接进行信道估计，信道频域响应的估计值可根据最小二乘准则直接由下式得到。分别为训练序列第k个子载波处的接收和发送信号。为第 k个子载波的信道频域响应估计值。

3.2 基于线性插值的信道跟踪

传统的信道跟踪采用插值算法，本系统中的导频是梳状导频，提取出每个符号中的导频子载波，共轭乘以导频子载波位置的长前导信道频域响应，再共轭乘以本地导频，即可得到导频子载波位置的信道频域响应。再通过插值得到其他子载波位置的信道频域响应。常用的是一维线性插值，对于边界子载波，进行复制，中间的子载波利用边界的两个导频进行线性插值[5]。

表一个OFDM符号中插入的导频点个数，N代表相邻的导频点间的间隔数，m代表导频点的序号，i代表任一点与其前一个相邻导频点的间隔数，代表任意一点 k的信道估计值，代表第m个导频点处的信道估计值。

3.3 平均法进行信道跟踪

由于线性插值算法在硬件中实现复杂，特别是在导频子载波间隔不相等的情况下，每两个导频子载波的插值公式不同，并且很多除法处理，导致收端处理性能下降。

为了提高硬件处理效率，优化算法，将信道跟踪算法简化为下式所示[6]：

3.4 信道均衡

对每个OFDM符号的每个子载波的预测可以用均衡计算得到。每个OFDM符号的信道频域响应由训练序列的频域响应和当前符号的信道跟踪因子决定，那么可得到：第sym个OFDM符号的第k个子载波的预测值为[7]：

4 仿真结果

4.1 系统参数

参照802.11n，本文所用的OFDM系统参数如表2所示。

表2 仿真参数

4.2 仿真流程图

仿真流程图如图1所示，首先生成发端的前导符号和数据符号，组帧，形成完整的数据帧；经过TGn D信道，送到接收端；收端首先进行同步，并作相应的频偏估计与纠正；再进行FFT变换将数据变换到频域；再进行基于前导的信道估计和基于导频的信道估计[8]。这里使用两种插值方法对信道进行跟踪，即线性插值法和平均值法，得到信道跟踪值后结合前导信道估计值对信道进行均衡，得到收端频域数据，再进行硬判决，计算两种方法下的误码率，并进行对比。

图1 仿真流程图

4.3 仿真结果

根据前导进行信道估计，得到的TGn D信道的幅值特性如图2所示。

图2 TGn D信道响应幅度特性

分别将线性插值的信道跟踪算法和平均法得到的误码率统计值进行比较，得到结果如图3所示。

图3 两种方法误码率对比图

从仿真结果来看，平均值法进行信道跟踪时，误码率比线性插值法稍小。在计算量来看，平均值法减少了一定的计算量，能得到相当的估计效果，节约了硬件资源，提高了估计效果。

5 结束语

OFDM系统受到越来越广泛的运用，基于导频的信道估计是该系统的重要步骤。研究了TGn D信道估计中信道插值的两种算法，从仿真结果看，平均值法比线性插值法估计效果更优，计算量更小，更利于在硬件中实现，应用范围更广。

[1]宋水正,何春,田丹等.OFDM中基于导频的加窗FFT信道估计[J].通信技术,2011,44(2):19-21. Song Shui-zheng,He Chun,Tian Dan et al.Channel Estimation for Pilot-based Windowed FFT in OFDM System[J]. Communications Technology,2011,44(2):19-21.

[2]石钧，刘泽民.梳状导频的OFDM信道估计改进算法[J].计算机仿真，2013，30(1)：237-240. Shi Jun,Liu Ze-min.New Improved Channel Estimation Algorithm in OFDM[J].Computer simulation.2013,30(1): 237-240.

[3]陈晖,陈晓光.基于直接判决和导频跟踪的OFDM系统快时变信道估计[J].通信学报,2006,27(9):1-5. Cheng Hui,Chen Xiao-guang.Channel estimation for time varying channel based on decision directed technique in OFDM mobile systems[J].Journal on Communications, 2006,27(9):1-5.

[4]Erceg V.TGn Channel Models[DB/OL].IEEE 802.11 document 03/940r4,May 2004.

[5]胡蝶,杨绿溪.OFDM系统中基于导频的时变信道估计[J].电子与信息学报,2004,26(9):1376-1382. Hu Die,Yang Lu-xi.Time-Varying Channel Estimation Based on Pilot Tones in OFDM Systems[J].Journal of Electronics&information Technology.2004,26(9):1376-1382.

[6]郝建华,史勋栋,蔺福强.宽带移动通信系统中基于导频的信道估计[J].理论与方法,2010,29(1):20-23. Hao Jian-hua,Shi Xun-dong,Lin Fu-qiang.Channel estimation based on pilot in broadband mobile communication system[J].Theory and Method,2010,29(1):20-23.

[7]孔令坤.OFDM导频信道估计算法研究及其在802_16e中的应用[D].福建:东南大学,2006. Kong Ling-kun.Pilot-Symbol-Aided Channel Estimation for OFDM systems and its application in 802.16e[D].Fu Jian:Southeast University,2006.

[8]Ji-Woong Choi,Yong-Hwan Lee Optimum Pilot Pattern for Channel Estimation in OFDM Systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications(S1536-1276),2005,4 (5):2083-2088.

Pilot-based TGn Channel Estimation in OFDM System

Liu Xianqiao1，Gao Xia2，Zeng Ji2，
（1.Military Representatives Bureau in XX of Communication Department,Commission of Equipment Development Department of PLA General Staff,Chongqing 400030,China; 2.Chongqing Jinmei Communication Co.,Ltd.,Chongqing 400030,China）

Frequency Division Multiplexing(OFDM)is a multiplexing technology of orthogonal multi-carrier.TGn D channel estimation technology,as the key technology in OFDM Communication system,is studied in this paper.The channel estimation based on pilot LS estimation is used to calculate training sequence channel response in frequency domain,then the pilot carriers of each symbol channel response in frequency domain are calculated,and the channel frequency response of each OFDM symbol pilot sub carrier,linear interpolation and average of pilot channel information are studied.The simulation results show that average algorithm is better with lower bit error rate and low computational cost,and it is easy to realize on hardware.

OFDM system;TGn D channel estimation;Training sequence;Pilot;Interpolation; Equilibrium

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.009

TN911.4

A

1002-2279-（2017）01-0033-03

刘先桥（1978-），男，山东人，硕士研究生，工程师，主研方向：无线通信与图像处理。

2016-07-20