基于OFDM技术的无线通信系统的信道估计的研究

基于OFDM技术的无线通信系统的信道估计的研究目录1绪论......................................................................................................................11.1研究内容及背景意义.............................................................................11.2本论文所做的主要工作.........................................................................22OFDM系统简介.................................................................................................32.1单载波通信与多载波通信.....................................................................32.2OFDM基本原理......................................................................................52.3OFDM的优缺点......................................................................................62.4OFDM系统的关键技术..........................................................................73OFDM信道估计及其性能仿真.........................................................................93.1信道估计概述.........................................................................................93.2信道估计的目的...................................................................................103.3OFDM信道特性....................................................................................103.4信道估计方法.......................................................................................133.4.1插入导频法信道估计................................................................133.4.2最小平方(LS)算法.....................................................................143.4.3最小均方误差估计(MMSE)......................................................173.4.4线性最小均方误差(LMMSE)算法...........................................183.4.5基于DFT变换的信道估计.......................................................193.5性能比较与分析....................................................................................214改进的DFT算法及其性能仿真.....................................................................234.1算法简介................................................................................................234.2性能仿真................................................................................................255结论与展望.......................................................................................................30参考文献.................................................................................错误!未定义书签。答谢.................................................................................................................3111绪论1.1研究内容及背景意义近30年来，移动通信领域经历了从模拟到数字，窄带到宽带，低数据传输速率到高数据传输速率的演变。第一代(1G:AMPS、TACS)和第二代(2G:GSM、IS-95CDMA)移动通信只能提供语音业务或部分低数据业务，为了实现个人通信，移动互联网，高清视频点播等超宽带，高数据传输速率业务，人们相继提出第三代(3G:CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA)和第四代(4G：LTETDD、LTEFDD)移动通信，而其中的关键技术之一——正交频分复用(OFDM)成为研究热点。OFDM技术的提出可以追溯到上世纪60年代，但由于当时大规模集成电路的限制，OFDM并未得到重视。直到1982年，Weinstei和Ebert提出基于离散傅里叶变换(DFT)的OFDM基带调制，才使得人们开始重视这一技术。1990年，Peled和Ruiz提出的循环前缀(CyclicPrefix,CP)，解决了信道正交性问题。加之高速DSP技术，自适应技术，软件无线电技术的日益成熟，如何将OFDM技术应用到无线通信系统，成为人们亟待解决的问题。经过多年的发展，OFDM技术已成功应用到数字音频广播(DAB),数字视频广播(DVB)，高清电视(HDTV)，视频点播(VOD)，无线局域网(WLAN)等通信领域。例如1999年到2002年期间，清华大学成功研发出DMB-T数字电视传输系统；欧共体研发的数字视频地面广播(DVB-T)错误!未找到引用源。。在移动通信中，无线信道往往受到高层建筑物，河流，森林，山脉等的影响而呈现多径特性。为了更好地适应信道传输，发送端通常采用调制技术；2相应地，接收端要获得原始信息，必须对接收信号进行解调。解调一般分为非相干解调和相干解调两大类，非相干解调适用于低速传输的系统，对于多进制调制的高速传输系统，大多数采用相干解调技术。因此，为使接收端获得与发送端完全同频同相的载波信息，必须对信道进行估计,以对抗码间干扰和多径衰落。对于OFDM系统，信道估计的任务就是，根据接收到的已失真的、叠加了AWGN的信息序列来准确估计出信道的频域传输特性，换句话说，就是估计OFDM各正交子信道的频率响应值。因此，研究信道估计技术意义重大错误!未找到引用源。。1.2本论文所做的主要工作本文基于OFDM系统原理，以OFDM信道估计算法为研究对象，对比分析了快衰落环境下各种估计算法的误码率和均方误差，随后提出一种估计性能优良的改进算法，并仿真了改进算法在抵抗码间干扰、多径衰落的优越性。第一章以移动通信的演变为背景，介绍了OFDM技术的提出、发展历程和在民用通信中的应用，然后根据无线信道环境引出信道估计的概念。第二章简要介绍了快衰落信道下OFDM系统组成原理，包括串/并转换，数据调制，离散傅里叶变换，循环前缀等内容，然后介绍了OFDM系统的优缺点及关键技术。第三章是本文的重点。首先简要介绍了信道估计的分类和目的；然后介绍了快衰落下的四种信道模型，并对四种模型的冲击响应进行了仿真，以观察各信道的时延扩展，并为后面估计算法的性能仿真做准备；之后重点分析了基于LS算法、MMSE算法、LMMSE算法以及基于DFT算法的信道估计原理，3进行了大量公式推导，并总结其优缺点；最后在不同信道环境，不同子载波数下用MATLAB对各算法的误码率和均方误差进行了仿真，总结各算法估计性能。第四章在第三章的基础上提出基于DFT的信道估计改进算法，并仿真分析改进算法较传统算法在减小误码率和均方误差上的优越性。第五章是本文的总结与展望。2OFDM系统简介2.1单载波通信与多载波通信单载波通信系统就是用信息调制单一载波，接收端采用与发射端相同的载波进行解调的通信系统。它的原理如图2.1所示，其中()gt是匹配滤波器，用以滤除带外噪声。第一代蜂窝移动通信(1G)与第二代蜂窝移动通信(2G)主要采用这种系统，因为1G和2G的数据传输速率不高，通过合适的均衡算法便能够很好地解决多径衰落引起的符号间干扰(ISI)。但是，使用单载波系统传输高速的宽带业务，均衡算法中抽头系数大，训练序列多，这使得算法非常复杂，收敛速度也变得缓慢，因此必然会存在由于时延扩展而造成的码间干扰。另外，当信道的相关带宽小于信号带宽时，会产生频率选择性衰落现象，导致通信的可靠性降低。因此，人们必须提出更好的通信系统模型，来适应高速数据通信，多载波通信技术便是在这种背景下受到人们重视的。图2.1单载波通信原理框图4多载波通信的基本思想是：在频域上将信道划分成M个相互独立的子信道，这样每个子信道的频谱特性都具有平坦或准平坦衰落特性，然后使用这些子信道传输信号并在接收机中予以合并，以实现信号的频率分集错误!未找到引用源。。与单载波系统相比，多载波系统具有的明显优势是，能够很好地对抗频率选择性衰落。当M很大时，每个子信道都可看做是无ISI的子信道，在接收端，可以采用低复杂度的信号处理算法实现无ISI的信息传输。多载波调制技术的原理框图如图2.2所示。图2.2多载波调制原理方框图单载波与多载波存着在诸多不同的系统参数，如符号时间，总频带宽度等。表2-1对其做了详细比较。其中M代表子载波数，ST为正交频分复用码元周期。这里假设OFDM系统的保护带宽=1(2)ST。表2-1单载波和多载波系统参数比较传输方式系统参数单载波多载波符号时间STMST速率SMT1ST总频带宽度2SMT21(2)SSMTMTISI敏感度敏感较不敏感52.2OFDM基本原理OFDM属于多载波调制方案之一，它的基本原理是：将高速传输的串行数据流转换成若干个并行传输的低速子数据流，然后用这些子数据流去调制相互正交的子载波，从而构成多个低速比特流并行传输的系统错误!未找到引用源。。它的最大特点是各子载波具有正交性，从而调制后的频谱可以重叠，这在频谱日益紧张的情况下，是一次重大的技术变革。在实际应用中，一般采用等效基带信号来描述OFDM输出信号，具体的数学表达式见式(2-1)。10(2)exp2(),()0,MisSsssSiSssSidrectttTjttttttTTstttttT或(2-1)其中，M为子载波数，ST为OFDM码元周期，(0,1,)idi…,M-1是第i个子信道的数据流，st是OFDM符号开始的时