一种改进的OFDM/OQAM信道估计方法

2018-02-13邱上飞薛伦生陈西宏

无线电工程 2018年11期

邱上飞，薛伦生，陈西宏

(空军工程大学防空反导学院，陕西西安710051)

0 引言

基于交错正交幅度调制的正交频分复用系统(OFDM/OQAM)是一种基于滤波器组的多载波通信技术，能够满足大容量高速率的通信需求[1-2]。相比于传统的OFDM系统，OFDM/OQAM系统无需循环前缀(CP)，对ISI和ICI均具有更好的鲁棒性，并提升了无线通信的传输特性以及频谱利用率，具有很大的发展潜力[3-4]。此外，通过对原型滤波器进行合理的设计，可以保证各子载波频率响应具有更好的滚降特性，进而降低子载波之间的频谱泄露[5]。基于以上优点，OFDM/OQAM系统已成为5G通信技术的备选方案之一[6]。

然而OFDM/OQAM系统仅在实数域正交，存在固有的虚部干扰，导致传统OFDM系统的信道估计方法不能直接应用于OFDM/OQAM系统[7]。针对OFDM/OQAM系统的信道估计问题，国内外很多学者对其提出了不同的解决方案，其研究主要集中在基于导频的信道估计方法。根据导频结构的不同，可以分为格状导频[8-12]和块状导频[13-17]2类。基于格状导频的信道估计方法主要有置零法[8]、辅助导频法(Auxiliary Pilot，AP)[9]和预编码法[10]。置零法是通过直接把导频符号周围的时频格点数据设为零来消除干扰，方法简单，但是降低了频谱利用率。AP法则是在导频周围的某一时频格点放置辅助导频来抵消其他时频格点的干扰，进而达到消除干扰的目的。这种方法占用资源较少，但是辅助导频的功率通常很高。针对这一问题，文献[12]采用了在导频周围插入2个辅助导频的方法，降低了辅助导频的功率。但是采用了3个实数符号，导致了频谱利用率的降低。J.P.Javaudin在文献[10]中提出了一种预编码的方法，通过对导频周围的数据符号进行编码来消除它们对导频的干扰。这种方法能够很好地消除干扰，同时也不消耗额外的功率，但是由于要计算编码矩阵，算法的计算复杂度一般很高。

本文对导频的结构和辅助导频方法进行了分析，提出了一种改进的辅助导频信道估计方法，在保证系统信道估计性能的同时，有效提升了辅助导频的能量效率。

1 OFDM/OQAM系统信道估计

1.1 OFDM/OQAM系统信道估计的数学描述

离散OFDM/OQAM系统的发送信号为[18]：

(1)

式中，M为子载波个数；am，n表示在第m个子载波上传输的第n个实数符号；g(k)为原型滤波器函数；Lg表示滤波器的长度；φm，n为OFDM/OQAM系统的相位因子，φm，n=(π/2)(m+n)-mnπ。

发送信号s(k)经过无线信道传输之后，在接收端的接收信号可以表示为：

(2)

式中，h(k，l)为信道的时域脉冲响应；Lh为信道脉冲响应的长度；η(k)表示方差为σ2的零均值高斯白噪声序列。

将式(1)代入式(2)中，可得

(3)

假定信道脉冲的长度Lh远小于符号时间间隔，则在[k，k+Lh]时间范围内，g(k)可近似认为：

所以式(3)可写为：

(4)

式中，

为k时刻第m个子载波上的信道频域响应。可以合理假设信道参数在一个OFDM/OQAM符号内的时间内不变，即Hm(k)=Hm，n，则式(4)写为：

(5)

则时频格点(m′，n′)处的解调信号为：

(6)

OFDM/OQAM系统满足实数域严格正交条件，其数学表述如下[2]：

(7)

当且仅当m=m′，n=n′时，δm，nδm′，n′=1。则在m≠m′，n≠n′时，可以令

则式(6)可写为：

(8)

在慢衰落的无线信道中，其信道频率响应值在一阶邻域内基本保持不变[20]，则式(8)可以写为：

ym′，n′=Hm′，n′cm′，n′+ηm′，n′=

Hm′，n′(am′，n′+jum′，n′)+ηm′，n′，

(9)

由上述分析可以得出，即使不考虑噪声的存在，信道估计值中仍然存在固有的干扰项，从而传统OFDM系统中的信道估计方法不能直接用于OFDM/OQAM系统之中[21]。

1.2 辅助导频法

图1 格状导频数据结构示意

(10)

此时，式(9)可以简化为：

yp，q=Hp，qap，q+ηp，q。

(11)

于是在接收端就可以通过LS算法对导频位置的信道频域响应进行估计，然后通过相应的插值算法就可以得到所有子载波的信道估计值。但是这种方法也存在不足：进行信道估计需要的导频能量开销比较大，导频符号的能量可能远高于数据符号的平均能量。根据式(10)，可以得到辅助导频的平均功率为：

(12)

2 改进的辅助导频方法

针对上述的辅助导频方法能量消耗过大的问题，本文提出了一种改进的辅助导频信道估计方法。

改进的格状数据导频结构示意图如图2所示，改进的辅助导频方法的总体思想是在图1中k=2，3，4中放置零，在k=1处放置辅助导频，用以消除k=5，6，7，8处数据带来的干扰。则此时辅助导频的计算公式为：

(13)

同时，由式(12)可得本文方法中的辅助导频功率消耗为：

(14)

与传统的辅助导频方法相比，本文方法通过减少辅助导频消除干扰时频格点的数目，以达到降低辅助导频能量消耗的目的。

图2 改进的格状数据导频结构示意

3 性能及仿真结果分析

本节首先对传统辅助导频方法和本文方法在能量效率方面进行性能分析比较，然后对仿真结果进行分析比较。

3.1 能量效率分析

3.2 仿真结果分析

下面给出本文所提出算法的性能仿真结果，并且与辅助导频法、文献[10]提出的预编码法以及成对训练序列法(POP)进行比较。仿真中，OFDM/OQAM系统的子载波数目为M=2 048，每个子载波采用4OQAM调制方式，选用抽头数为4的IOTA原型滤波器，采样频率为9.14 MHz。信道模型采用了瑞利衰落信道模型，信道的多径数为6个，多径时延分别为-3，0，2，4，7，11 μs，各径平均增益分别为-6，0，-7，-22，-16，-20 dB。

4种方法在不同信噪比条件下的误码率性能如图3所示。从图中可以看出，本文提出的方法与预编码法的BER性能比较接近；与辅助导频法(AP)相比，本文提出的方法性能有所提升；与成对训练序列方法相比，当信噪比大于5 dB时，本文方法有大约1 dB的性能提升，当信噪比大于7 dB时，本文方法有2 dB的性能提升。