基于简化单一导频结构的信道估计方法研究

朱康特，陈波*，杜秀丽，张云贺

（大连大学通信与网络重点实验室，辽宁 大连 116622）

基于简化单一导频结构的信道估计方法研究

朱康特，陈波*，杜秀丽，张云贺

（大连大学通信与网络重点实验室，辽宁 大连 116622）

不同信道模型对信道估计有很大的影响，导频结构的设计必须选择合理的导频间隔。针对传统信道模型难以全面描述多径衰落和噪声对信道估计的影响，以及传统导频结构存在导频数量过多、计算复杂高等问题。本文建立了自定义信道估计模型，该模型充分考虑了时变频率选择性和广义平稳信号的非相关散射特性；同时，提出了基于梳状导频图案的简化单一导频结构，该导频结构根据导频间隔等间距的交错截取导频信号。仿真表明：该方法减少了导频数量，提高了频带利用率。同时，与二维导频结构相比，有效降低了计算复杂度；与传统结构相比，误码率降低了1-2 dB，该方法可广泛应用于信道估计中的导频图案设计，具有很强的实用性。

信道模型；导频间隔；简化单一导频结构

无线移动信道随着传播环境的变化而变化，具有高度的复杂性和随机性，主要表现为多普勒频移和多径时延影响[1]。为了开展通信系统仿真的研究，建立无线信道的数学仿真模型是仿真研究的基础[2]。

文献[3-4]详细介绍了移动信道2种典型的传输模型，Jakes-Rayleigh信道模型[3]通常用于简单的多径衰落信道仿真；AWGN高斯白噪声模型信道仅考虑信道噪声，会使信道估计的精确性大大降低[4]。针对传统信道模型难以全面描述多径衰落和噪声对信道估计的影响，本研究提出了自定义的信道模型，该模型用Jakes-Rayleigh信道模型为基础，设置了不同的多径时延参数，再加上AWGN信道模型作为噪声模型，并以此模型进行仿真对比。

同时，在已经建立了信道仿真模型的前提下，为了能在接收端检测出正确的信息，并进行补偿性的恢复，信道估计就显得非常必要[5]。针对传统经典单一导频[6]存在导频数量多、二维导频图案[7]计算复杂度高的问题，本研究提出了基于梳状导频结构的简化单一导频结构，并进行仿真分析，以期减少了导频数量，提高了频带利用率，方案切实可行性。

1 无线信道模型

与其他通信信道相比，无线通信信道是最为复杂的一种，时常呈现出移动通信所特有的衰落特性[1]。在无线通信信道衰落中，多径传播和多普勒扩展是主要的影响因素。

1.1 AWGN信道模型

AWGN信道，即加性高斯白噪声信道，这种信道对于信号的影响在于假定主要的噪声源是进入接收机的与接收信号路径相互独立的辐射。此信道模型如式（1）所示：

其中，n(t)为功率谱密度为N0/2的零均值加性高斯白噪声。

1.2 Jakes瑞利衰落信道模型

1974年，Jakes提出了 Jakes信道模型，如式（2）所示：

其中，E0为信道能量，cn、θn、φn分别为第n条路径的增益、波束到达角和初始相位，vmax为最大瞬时速度。根据中心极限定理，当N→∞时，hre(t)、him(t)均服从高斯分布，这样包络和相位tan-1(-him/hre)分别服从瑞利分布、[0，2π]上的均勾分布。但单路瑞利复信号的实部和虚部之间，多路衰落信号之间的互相关函数并不能恒等于零，这就不能保证产生的多个瑞利衰落量严格意义上的独立。

1.3 自定义信道模型

多径传播和多普勒扩展作为信道的特性往往和噪声区分开来，因此信道传输常如式（3）所示：

其中，y(t)为瑞利衰落信道模型，n(t)为常用的高斯白噪声（AWGN）。

瑞利衰落模型[8]是最简单而且常用的信道基带抽头统计模型，考虑时变频率选择性，并且满足广义平稳非相关散射特性。其信道参数如式（4）所示：其中S[m,l]为延时 -多普勒扩展函数，m、l分别为离散延时和离散多普勒扩展，Mτ为信道最大延时扩展，Mv为最大多普勒扩展，该模型更加接近真实信道。

2 基于简化单一导频的信道估计方法

信道估计方法可分为利用导频信道估计和盲信道估计两类[9]。基于导频序列的信道估计算法是指利用接收机己知的信息进行信道估计，具有算法复杂度较低、估算精度高等特点[10]。首先，用已知导频符号按照一定规则插入到信号序列中，在受到信道的影响后，利用算法得到导频点处的信道响应；然后，利用插值算法估计出所有信息位上的信道响应，并进行均衡，恢复出发送数据。

2.1 导频设计准则

在保证基于导频序列的信道估计精度的前提下，为了尽可能地减少导频序列的插入，提高频谱利用率，因此必须采用在时域/频域周期间隔放置导频信息的方式。但是这个间隔的范围不能随便给出，所以导频间隔的设计必须遵循一定的设计准则[11]。

导频图样设计的2个重要参数是：决定最小相关时间的最大多普勒频移和决定最小相关带宽的最大多径时延扩展。时域上以符号周期进行归一化后的导频插入间隔为，频域上以子载波间隔进行归一化后的导频插入间隔为，则可知：

式（5）中，T为符号周期，Δf为子载波间隔。因为插入的导频数只能取整数，上面的公式均取了下限。为了尽量使信道冲激响应的时域采样和频域采样平衡，因此一般还限定fDmaxTSt≈TdmaxΔfSf。第3节中进行了仿真对比，验证了合适的导频间隔必要性。

2.2 导频图案设计

经典导频结构分为2种基本的形式：一种是在时域内插入导频，也称之为块状导频，适用于慢衰落信道模型下的信道估计；另一种是在频域内插入导频，也称之为梳状导频，适用于快衰落信道模型下的信道估计。

针对传统导频图案中导频数量插入过多、计算量大、频带利用率低，以及二维导频图案需要在时域和频域上都插入导频引起的计算复杂度高等问题。本文提出了一种简化单一导频。导频结构设计图案如图1所示。

图1 简化单一导频结构图Fig.1 simplified single pilot structure

首先，确定单一经典导频模式，依据了梳状导频在时间选择性衰落信道下估计效果较好这一特点而采用了梳状导频；其次，根据导频准则选定合适的导频间隔，根据导频间隔等间距交错截取导频信号，这样大大减少了导频数量；最后，生成上述导频图案。

3 仿真分析

采用抗码间干扰能力强、频谱利用率高和实现简单[12]的OFDM系统模型，导频处的信道估计算法采用的是传统的LS和LMMSE算法，信号处的信道响应采用的是常数插值。

仿真参数设置为：系统的带宽20 MHz，载波频率2 GHz，调制方式选用QPSK，保护间隔长度设为16个符号长度，子载波个数为50，每个载波上有128个OFDM符号，多径数目为5，多普勒频移归一化为0.2 Hz，系统采用误比特率（Bit Error Rate，BER）指标来衡量信道估计性能。

3.1 不同的信道模型仿真对比

采用自定义的信道模型在不同的多径时延下信道估计进行了仿真对比，导频间隔为5，路径仿真参数见表1。

表1 多次仿真路径时延参数Tab.1 Multiple path delay parameters for simulation

由图2和图3可知，不同的信道模型参数下，由多径时延引起的频率选择性衰落对梳状导频的影响明显大于块状导频，故梳状导频易受频率选择性衰落的影响，较适用于时间选择性衰落信道模型下的信道估计。

图2 不同路径时延下的块状LS算法对比Fig.2 Comparison of block LS algorithm for different paths delay

图3 不同路径时延下的梳状LS算法对比Fig.3 Comparison of comb LS algorithm for different paths delay

3.2 不同导频间隔的仿真分析

设计了块状和梳状导频结构在不同导频间隔下的信道估计仿真，信道模型采用多径1，导频间隔分别为 5、15、25个符号长度。

由图4和图5可知：随着导频间隔的增加，块状导频和梳状导频的性能有着明显的变化，但块状导频性能恶化更快。这是由于块状导频在时域上等间距插入导频，随着导频间隔的增加，每个导频间隔距离也随之增加，不能很好追踪信道，所以信道估计的性能受到了较大影响。

而梳状导频是在频域上插入导频，时域上是连续的，虽然导频间隔增加了，但只是相邻的导频段距离增加，经过内插恢复出数据时，所受影响较块状小。可见，导频间隔在信道估计上的影响较大，利用导频间隔准则设定合适的导频间隔对信息的传输有着良好的作用。

图4 不同导频间隔块状导频LS算法对比Fig.4 Comparison of block LS algorithm for different pilot intervals

图5 不同导频间隔梳状导频LS算法对比Fig.5 Comparison of comb LS algorithm for different pilot intervals

3.3 简化单一导频的仿真分析

对未加导频结构、基于块状导频结构、基于梳状导频结构和本文导频结构的信道估计算法的性能进行仿真对比分析，信道模型采用的多径1，导频间隔为 5。

图6 不同导频结构在LS估计算法下的对比Fig.6 Comparison of different pilot structures under LS estimation algorithm

图7 不同导频结构在LMMSE估计算法下的对比Fig.7 Comparison of different pilot structures under LMMSE estimation algorithm

从图6和图7见：未加导频结构的信道估计算法性能远低于有导频结构的信道估计算法，且随着信噪比的增加，各导频结构的信道估计算法的误码率降低。结合表2可见，本文导频结构与经典梳状导频结构、经典块状导频相比，误码率稍有降低；但减少了导频数量，提高了频带利用率；与二维导频结构相比，有效降低了计算复杂度。方法具有很强的实用性。

表2 各导频图案中导频数与算法复杂度对比Tab.2 Comparison of pilot number and algorithm complexity for different pilot structures

4 结语

分析了不同信道模型参数对信道估计的影响，并提出了简化单一导频结构的信道估计方法，该方法有效减少了导频数量、提高了频带利用率。仿真结果表明：（1）自定义信道模型更符合真实信道，合理的导频间隔设计提高了信道估计效果；（2）所提出的导频结构设计与二维导频结构相比，有效降低了计算复杂度；与传统结构相比，误码率降低了1-2 dB，方案切实可行。

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The channel estimation based on a simplified single pilot structure

Zhu Kangte,Chen Bo*,Du Xiuli,Zhang Yunhe
(Dalian University Key Laboratory of Communications and Network,Dalian,Liaoning 116622,China)

As different channel model has a great influence on channel estimation,the design of the pilot structure has to choose a reasonableinterval.Considering theproblemsthattraditionalchannelmodelwith too much pilotquantity and high computational complexity fails to describe the effects of multipath fading as well as the noise on channel estimation in detail,we established a custom channel estimation model in this paper.It gives full consideration to the time-varying frequency selective and unrelated scattering properties of stationary signal.At the same time,a simplified single pilot structure based on comb pilot pattern is proposed,in which the pilot signal interception is staggered in an equal pilot interval.Simulation shows that the number of pilot in this the pilot pattern was reductive,and the bandwidth utilization was improved;Compared to the two-dimensional pilot structure,the computational complexity has been reduced effectively.Meanwhile,compared to the traditional pilot structure,the error rate has reduced 1-2 dB,and the pilot structure has strong practicability to be used as a pilot pattern design for channel estimation.

channel model;pilot interval;simplified single pilot structure

TN929.5

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.05.0019

1007-7383(2017)05-0636-05

2016-12-30

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2014AAXX03G、2015AAXX03G）

朱康特（1994-），男，硕士研究生，研究方向为通信技术。

*通信作者：陈波（1972-），男，教授，博士研究生导师，从事通信技术及网络故障诊断研究。