宽带MIMO_OFDM系统信道估计算法研究

宽带MIMO_OFDM系统信道估计算法研究

第7期2005年7月

电　　子　　学　　报

ACTAELECTRONICASINICAVol.33　No.7

July　2005

宽带MIMO2OFDM系统信道估计算法研究

王东明,高西奇,尤肖虎,韩　冰

(东南大学移动通信国家重点实验室,江苏南京210096)

　　摘　要:　本文提出了MIMO2OFDM系统中基于LS准则的参数化信道估计方法(LSPCE),推导出其MSE性能的下

界并给出一种最优导频序列.为了降低复杂度,本文还提出了一种迭代的算法,它利用有限冲击响应信道的抽头之间的相关性从噪声中提取出信道信息并同时估计出多径时延.仿真和分析表明,相比传统的LS,这种基于参数化的信道估计算法可以大大提高信道估计的精度,关键词:　MIMO2OFDM;信道估计;稀疏信道;多径时延估计中图分类号:　TN911　　　文献标识码:　A　　　:　22112()22ChannelEstimationOFDMSystems

Wming2,YOUXiao2hu,HANBing

(Lab.,SoutheastUniversity,Nanjing,Jiangsu210096,China)

2parametricchannelestimator(LSPCE)forbroadbandmulti2inputmulti2outputorthogonalfrequencydivisionMIMO2OFDM)systemsisproposed.TheMSEboundonLSPCEisderivedandtheoptimalpilotsequencesarealsogiven.Inordertoreducethecomplexity,wepresentaniterativealgorithmtoextractthechannelinformationfromitsnoisyversionaccuratelybyutilizingthecorrelationofthetapsoffiniteimpulseresponse(FIR)filterchannelmodel.SimulationresultsshowthattheproposedchannelestimationgivesmuchbetterperformancethanconventionalLSalgorithmandthedetectionperformanceisnearlyop2timal.

Keywords:　multi2inputmulti2outputorthogonalfrequencydivisionmultiplexing(MIMO2OFDM);channelestimation;sparsechannel;delayestimation

1　引言

　　GJFoschini[1]等人指出,在平坦瑞利衰落信道下,当收发

端都采用多天线(MIMO系统),并假设收发天线之间的信道是独立,可以显著提高信道容量.为了在下一代移动通信中采用发送分集技术,一个不可回避的问题就是如何克服具有频率选择性衰落的MIMO信道.将OFDM和MIMO技术结合是降低接收机均衡复杂度的有效途径.MIMO2OFDM系统中,接收端进行检测时,需要信道信息.文献[2,3]研究了基于导频的MIMO2OFDM信道估计,并提出最优的导频序列.在高速无线数据传输中,通常面临的都是稀疏的多径衰落信道,这种信道

μs.通常由几条路径构成,然而最大多径时延却有可能达到10

如果能够充分利用这种信道的稀疏性,不仅可以提高传统信道估计的精度,还可以减小信道估计的维数.文献[4]提出了单天线OFDM系统中基于参数化的信道估计,首先根据长时间统计得到路径个数和各个路径的时延,最后利用这些时延信息进行基于MMSE的信道估计获得信道估计值.文献[5]提出了一种基于时域LS算法的低复杂度的联合时延和信道估计的算法.

本文的主要工作是:提出了宽带MIMO2OFDM系统中基于LS准则的参数化信道估计算法,并推导了其MSE性能下界,并提出了与文献[2,3]不同的最优导频序列设计方法;提出了适用于MIMO2OFDM系统下的低复杂度的时延和信道估计方法,从而避免了复杂的SVD运算.结果表明,利用估计出的多径时延可以大大提高MIMO2OFDM信道估计的质量,系统的BER性能接近理想信道估计下的性能.

2　系统及信道模型

　　系统中有Nt个发送天线和Nr个接收天线.数据流经过空时编码或者空分复用发送到各个天线,每根天线上进行K点的IFFT,然后,增加长度为G的循环前缀(CP),发送到信道.为了克服OFDM符号间干扰,循环前缀的长度应该不小于信道的记忆长度.在接收端,去除CP并进行FFT变换,则频域的接收信号可以表示为如下的矩阵和向量的形式:

y1

y=

diag{hf11}

…diag{hf1Nt

}ω

…

…diag{hfNrNt}

x1

=

yN…

diag{h

fNr1}

+w

xN收稿日期:2003204221;修回日期:2005203204

(No.60390540);国家863高技术研究发展计划(No.2003AA123310)基金项目:国家自然科学基金重大项目“未来移动通信基础理论与技术研究”

宽带MIMO_OFDM系统信道估计算法研究

第　7　期王东明:宽带MIMO2OFDM系统信道估计算法研究1255

其中,上标f表示频域信号,xi是第i根发送天线上K×1的发送向量,yj为第j根接收天线上K×1的频域接收信号向量,yfji是K×1的向量,它表示第i根发送天线到第j根接收天线之间信道的频域响应,diag{hfji}表示由向量hfji生成的对角

2阵,w是(KNr)×1方差为σ加性高斯白噪声.如果接收端已知信道,则可以根据上式进行相干检测.通常,我们未知信道的最大多径时延,但我们已知信道最大长度不超过CP的长度.信道的频域响应可以写为hfji=KFGhji,其中F为归一化的FFT矩阵,FG表示取F的前G列,hji是G×1的信道时域响应.由于本文研究的重点是信道估计算法,为了描述方便,我们把上式写为:

向量, y为对应的接收信号.311　LS信道估计(LSCE)

上述中,式(3)是一个线性模型.根据最小二乘准则(LS),可知信道的时域冲激响应的估计为[7]:

(4)hLSCE=(ΨHΨ)-1ΨH y=h+(ΨHΨ)-1ΨHw 变换到频域后得到所有子载波上的频域信道响应:

hLSCE=

f

K(INrNt FG)hLSCE

上述算法描述时用到了求逆的运算.(4)式中,Ψ是一个

(NrM)×(NrNtG)的矩阵,M≥NtG时,式中的求逆运算存在的.根据文献[7]:ΨHΨ∝I时,LSMSE,ΨING(5)

t:

Υ,Gdiag(pi)diag(pj)FΥ,G=

H

y=

KINr [diag{x1}FG

…diag{xNt}FG]h+w

(1)

TTT

其中: 表示Kronecker乘,h=[h11…hNN].rt

本文采用文献[6]的信道模型:

)=H(τ

)∈C其中,H(τ

N×N

r

t

Aδ(τ-τ)∑

l

l

l

3

IKG

i=ji≠j

(6)

,Al=[

()al

0G

N

r

t(laji

,i到接收天线j阵为Rt∈CNt×NtRr∈CNr×Nr,则[6]:RMIMO=Rt Rr.具有相关性的传输系数可以根据A =σ lCal得到.其中,A

2是A经过拉直运算后得到的向量:σl是功率延迟分布的第l(l)径的归一化权重:al=[a1

为了满足式(6),文献[2]指出最优导频不仅要求等功率和等间隔地插入OFDM符号,还需要满足:

M-1m=0

∑p3

i,mpj,me

πml/M-t2

=0,i≠j(7)

a2

(l)

…a(Nlr)Nt]TNN×1包含了衰落rt

其中,l=-G+1,-G+2,…,G-1.特别是,如果导频序列长

度设计成2的幂次,式(4)的计算可以用低复杂度的FFT来实

logNG 2t.文献[2,3]设计了MI现,因此通常选取M=2「MO2OFDM

的系统的最优导频:

pi,m=e

-t

的信息,通常我们假设它是广义平稳随机过程,服从Jakes功率谱;C是RMIMO的Cholesky分解.通过上述分析可知,具有空间相关性的MIMO信道模型可以根据单天线的时变抽头冲激响应信道模型稍加改进来得到.

如果考虑发送和接收端采用成型滤波器,则经过采样后信道可以表示为:

Np

m(i-1)

M

(8)

hji(l)=

n=1

∑a

njin

(l)g(l-τji),　　l=1,2,…,G

(2)

其中,Np为路径数目,假设每对收发天线之间的路径数目是

相同的.由于最 …… 此处隐藏：3559字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……