MIMOOFDM系统中信道估计与最优导频序列设计Word文档下载推荐.docx

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研究生姓名

导师姓名:

胡蝶

杨绿溪教授

申请学位级别工学博士学科专业名称

论文提交日期2006年6月26日论文答辩日期

学位授予单位东南大学学位授予日期

答辩委员会主席鄂广增评阅人

2006年月日

2006年6月5日

CHANNELESTIMATIONAND

OPTIMALPILOTSEQUENCEDESIGN

FORMIMOOFDMSYSTEMS

ADissertationSubmittedto

SoutheastUniversity

FortheAcademicDegreeofDoctorofEngineering

HUDie

Supervisedby

Prof.YANGLu-xi

SchoolofInformationScienceandEngineering

June2006

东南大学学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成

果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表

或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过

的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并

表示了谢意。

研究生签名:

日期:

东南大学学位论文使用授权声明

东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的

复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

本人电子文档的内

容和纸质论文的内容相一致。

除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可

以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。

论文的公布（包括刊登）授权东南大学研

究生院办理。

导师签名:

摘要

MIMOOFDM系统中信道估计及最优导频序列设计的研究

正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing一OFDM）是信息高速传输的有效技

术，由于它可以抵抗信道的多径衰落，且具有频谱利用率高、实现简单等一系列优点，因此成为了

未来移动通信系统的主要候选方案之一。

信道估计是OFDM系统中的关键技术之一，利用信道信息

的相干解调系统与不利用信道信息的差分解调系统相比，在信噪比（（signal-to-noiseratio,SNR）上

可以有3dB以上的性能提高。

因此在要求高传输速率、高传输质量和高移动性的4G（Fourth

Generation）通信系统中，信道估计是不可缺少的一环。

本论文主要针对这个关键技术及相关的最优

导频序列设计问题进行了研究。

由于信道估

计已得到广泛的研究，因此国际和国内已有较多的相关技术文献。

本论文对其中一

些经典和常用的信道估计算法进行了总结，然后在此基础上对多输入多输出（MultipleInputMultiple

Output,MIMO）OFDM系统进行了分析，得到了一些新的结论。

针对MIMOOFDM系统中进行信

道时域响应估计时有可能出现的方程欠定问题，论文提出了一种联合相继发送的导频序列进行共同

估计的改进算法。

当发送的导频序列较为充足时，可以得到信道响应的若干个估计，根据每个估计

的均方误差（MeanSquareError,MSE），论文给出了一种结合方式以获得最终较优的信道响应估计。

实际的OFDM系统通常会使用虚拟子载波，以此来避免发送信号受到发送端成形低通滤波器的

影响。

在设计导频序列时，若考虑系统的虚拟子载波，则在某些情况下，传统均匀分布的最优导频

序列不再可用，因此如何设计非均匀分布的最优导频序列就显得十分必要。

论文对这个问题进行了

深入研究，在基于信道时域响应最小二乘（LeastSquare,LS）估计算法的基础上，依据使估计均方

误差最小的准则推导了MIMOOFDM系统中非均匀分布下的最优导频序列。

经过推导可以证明，此

时导频序列的设计与求解一个约束不等式方程组是等效的。

对于这个约束不等式方程组，论文设计

了如下三种求解算法来获得所需的最优导频，分别是:

求解一个等效的约束规划问题;

求解一个等

效的非约束优化问题;

和利用Gram-Schmidt正交化进行直接求解。

通常情况下，信道可以等效为一个有限抽头的FIR滤波器，但对于稀疏信道，利用参数化模型

则可以更准确地逼近真实情况。

由于参数化模型只包含信道路径时延和路径增益两种参数，因此在

信道稀疏时可以降低估计参数的维数，从而提高估计的性能。

论文基于这种参数化信道模型，提出

了一种针对稀疏信道的最大似然（MaximumLikelihood,ML）估计算法。

该算法首先沿用已有的最

小描述长度（MinimumDescriptionLength,MDL）准则来检测信道中的路径数，然后利用估计信道

参数的旋转不变法（EstimationofSignalParametersbyRotationalInvarianceTechniques,ESPRIT）来获

得路径时延的初始估计。

最后，利用最大似然方法对时延进行跟踪，对路径增益进行估计。

为了降

低多参数ML估计问题的复杂度，论文利用广义交互空间期望最大化（Space-AlternatingGeneralized

Expectation-Maximization,SAGE）算法将其分解为一系列两参数的ML估计问题，通过迭代得到最

终解。

对于每一次迭代中，某一信道路径上时延与增益的两参数ML估计问题，论文分别采用一种

基于牛顿迭代的快速ML算法和一种简单的求和平均方法来获得。

子

载波间干扰（IntercarrierInterference,ICI）会破坏子载波之间的正交性，从而恶化OFDM系

统的性能。

由于消除ICI需要利用到信道信息，因此信道估计对于快时变环境下的OFDM系统来说

东南大学博士学位论文

是十分关键的。

论文对这个问题进行了深入研究，针对不同的时变环境，提出了如下三种时变的

OFDM信道估计算法，分别为:

（1）基于低通插值的估计算法。

该算法首先利用导频序列估计出一

个OFDM符号间隔内给定时刻上的信道时域冲击响应，然后通过对前后若干个给定时刻上已估计出

的信道响应进行低通插值，来获得所有时刻上的信道时域响应。

（2）基于分段线性模型的估计算法。

该算法对时变信道进行线性建模，然后通过估计线性模型的斜率和参考点值来获得所有的待估信道

响应。

该算法适用于系统相对多谱勒频率小于0.1的情况。

（3）基于基扩展模型的估计算法。

与前一

种算法的思想类似，该算法也是对时变信道进行建模，然后通过估计模型参数来获得所有待估的时

变信道响应。

由于基扩展模型与Jakes模型的拟合程度较高，因此该算法可以适用于系统相对多谱勒

频率较大的情况。

导频序列的设计对信道估计算法的性能有着重要影响，好的导频序列能极大改善

估计算法的性能。

因此，论文在给出上述凡种时变信道估计算法的同时，还分别推导了相应于这些

算法最优或次优的导频序列。

关键词:

MIMO通信、正交频分复用、多径信道、时变信道、信道估计、导频序列

Abstract

ChannelEstimationandOptimalPilotSequenceDesignfor

MIMOOFDMSystems

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing（OFDM）isaneffectivemethodforhighdatarate

transmission,andisbeingpursuedasapotentialcandidateforthefuturemobilecommunicationsystems

duetoitsrobustnessagainstfrequency-selectivefadingchannels,bandwidthefficiencyandsimple

implementation.ChannelestimationisoneofthekeytechniquesforOFDMsystems.Comparedwiththe

differentialdemodulationn,coherentdemodulationwithaccuratechannelinformationcanachieve3-4dB

gaininsignal-to-noiseratio（SN助.Therefore,inthefourthgeneration（4G）systemswhichrequirehigh

datarate,highqualityandhighmobility,channelestimationisanindispensablepart.Thisthesisfocuseson

thistopicandthecorrespondingdesignissueoftheoptimalpilotsequence.

Sincechannelestimationhasattractedalotofattention,therehavebeenmanyliteraturesonthisissue.

Thisthesissummarizessomeclassicalchannelestimationmethods.AfteranalyzingtheMultipleInput

MultipleOutput（MIMO）OFDMsystems,somenewconclusionsarethenobtained.Inordertoavoid

solvingunderdeterminedequationsforMIMOOFDMsystems,animprovementalgorithmwhichcombines

successivelytransmittedpilotsequencesisproposed.Ifpilotsequencesaresufficient,morethanone

estimatecanbeobtained.Consequently,acombinedwaywithconsiderationoftheestimationmeansquare

error（MSE）isgiven.

InpracticalOFDMsystems,virtualsubcarriersareusuallyusedtoavoidthetransmitteddatabeing

distortedbythelow-passfilteronthetransmitterside.Thus,withtheconsiderationofthesevirtual

subcarriers,wecanfindthattheconventionaluniformlyspacedapproachwillnotbeapplicableanymorein

somesituations.Itis,therefore,necessarytoderivetheoptimalpilotsequenceswiththenonuniformpilot

toneplacement.Basedontheleastsquare（LS）channelestimationmethod,theoptimalpilotsequencesof

MIMOOFDMsystemsarederivedinthisthesistominimizetheestimationMSE.Itcanbeshownthat

suchadesignissueisequivalenttosolvingasystemoflinearinequalities.Forsuchinequalities,three

solvingalgorithmsaregiven,whicharesolvinganequivalentconstrainedprogrammingproblem,solving

anequivalentunconstrainedoptimizationproblem,anddirectlyusingGram-Schmidtorthogonalization,

respectively.

Usual玫channelcanbemodeledasafiniteimpulseresponse（FI助filter.Butforsparsemultipath

channel,theparametricmodelcanapproximatetheactualenvironmentbetter.Sincethereareonlypath

delaysandpathgainstobeestimatedintheparametricmodel,theestimationdimensioncanbereduceda

lotforsparsechannel,andconsequently,theestimationperformancecanbeimprove.Basedonparametric

channelmodel,amaximumlikelihood（ML）estimationschemeisproposedforsparsechannelinthisthesis.

First,thenumberofchannelpatharedetected卜minimum-description-length（MDL）criterionandchannel

pathdelaysareinitializedbyEstimationofsignal-parameters-卜-rotational-invariance-techniques

（ESPRIT）.ThenthepathdelaysandpathgainsareobtainedbyproposedMLapproach.Toreducethe

TTT

complexityofmulti-parameterMLestimation,thespace-alternatinggeneralizedexpectation-maximization

（SAGE）algorithmisappliedtodecouplethemulti-parameterMLproblemintosomeseparate

two-parameterMLproblems.Andthefinalchannelestimatesareobtained卜iteration.Foreach

two-parameterMLproblem,afastMLalgorithmbasedonNewton&

#39;

smethodandasimpleaveragedmethod

areemployedtoestimatethepathdelayandpathgain,respectively.

Intercarrierinterference（ICI）willdestroytheorthogonalityofsubcarriers,whichworsenstheOFDM

systemperformance.SinemitigatingICIneedschannelinformation,estimatingrapidlytime-varying

channelisveryimportant.Fordifferenttime-varyingenvironments,threechannelestimationschemesare

proposed,whichareasfollows.

（1）Themethodbasedonlow-passinterpolation.Afterthechannelimpulse

responses（CI助atthegiventimesareestimatedbyp

ilotsequence,theCIRattheremainedtimescanbe

obtainedbylow-passinterpolation.

（2）Themethodbasedonpiece-wiselinearmodel.Sincethechannel

duringoneOFDMsymbolperiodismodeledasalinearfunction,theCIRcanbeobtainedbyonly

estimatingtheslopeandthereferencesignalofthelinearmodel.Thismethodissuitableforsystemswhere

therelativeDopplerfrequencysmallerthan0.1.（3）Themethodbasedonbasisexpansionmodel（BEM）.

Similartotheformermethod,thismethodalsomodelsthetime-varyingchannel,andthenobtainstheCIR

throughestimatingthemodelparameters.SinceBEMcanwellapproximatetheJakes&

model,thismethod

issuitableforsystemswheretherelativeDopplerfrequencyisratherhigh.Pilotsequencedesignplaysan

importantroleinchannelestimation.Therefore,inthisthesis,theoptimalpilotsequencesarealsoderived

alongwiththeproposedchannelestimationschemesmentionedabove.

KeyWords:

MIMOcommunications,OFDM,multipathfadingchannel,time-varyingchannel,channel

estimation,pilotsequence

TV

摘要........................................................................................................................................................I

Abstract...........................................................................................................................................……III

符号定义.....................................................................................................................................VII

缩略词......................................................................................................................................……VIII

第一章绪论.......................................................................................................................................1

1.1引言.....................................................................................................................................1

1.2OFDM技术的历史与发展.................................................................................................2

1.3OFDM的基本原理及特点.................................................................................................2

1.4论文的主要工作和内容安排.............................................................................................4

第二章OFDM系统中基于导频序列的信道估计..................................................