OFDM中基于信道估计算法的研究.docx
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OFDM中基于信道估计算法的研究
中华人民共和国教育部
东北林业大学
毕业设计
论文题目：
OFDM中基于信道估计算法的研究
学生：
指导教师：
学院：
机电工程学院
专业：
电子信息工程08级3班
2012年6月
东北林业大学
毕业设计任务书
论文题目OFDM中基于信道估计算法的研究
指导教师讲师
专业（班级）电子信息工程2008级3班
学生
2011年12月20日
题目名称：
OFDM中基于信道估计算法的研究
任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）
一、内容
在详细了解OFDM的基本原理﹑系统结构和性能，分析信道估计对OFDM系统性能的影响及产生的原因。
实现信道估计算法对提高系统的性能的仿真实现。
设计内容分为算法分析与算法仿真两部分；在算法分析部分，针对OFDM信道估计产生的原因、特点与技术要求，找出可行的方法，对比算法优劣。
在仿真部分，用Matlab实现算法的仿真。
二、计划、时间安排
第七学期
1、18-19周准备开题，撰写开题报告；
第八学期
2、1-2周毕业实习，提交外文翻译电子版；
3、3-5周开题答辩，熟悉OFDM的基本原理及Matlab相关内容；
4、6-13周按要求完成论文；
5、14-16周撰写设计说明书、准备答辩
三、完成工作量与水平具体要求
1、对OFDM的基本原理及系统结构有比较清晰的认识
2、了解数字通信中信道估计的基本概念
3、能够熟练使用Matlab进行系统和算法仿真
4、深入研究方针算法，对算法物理实现提出指导性方法
其中：
参考文献篇数：
10篇以上（含3篇外文）
说明书字数：
10000字以上
外文翻译：
一篇与本设计相关的文章（1000外文单词以上）
专业负责人意见
签名：
年月日
OFDM中基于信道估计算法的研究
摘要
文章随着通信技术的日益发展，点对点的固定通信模式已经被打破，移动通信的发展打破了通信与地点之间的固定连接，使人们的通信方式变为移动，随着通信需求的不断增高，世界上都在致力于发展通信系统，建立通信网络。
目前无线通信环境存在的多径特性会使不同符号间信息会出现相互干扰。
无线通信系统的传输通道会随时间不停变化使得信道参数无法准确描述。
而正交频分复用技术（OFDM）可以有效的解决通信过程中出现的不同符号间的相互干扰，因此OFDM技术引起了研究者的兴趣，被广泛研究。
但OFDM系统在对信道参数的估计中容易引起误差，极小的误差容易引起系统很大的失误，因此信道估计在OFDM技术中显得尤为重要。
本文首先介绍正交频分负用技术的发展以及应用，然后阐述了正交频分负用技术的主要优势及主要缺点，对正交频分信号的原理进行分析，了解了信号的特性，对比了单载波与多载波调制系统，介绍了正交频分负用系统的基本模型。
本文主要介绍信道估计算法，基于导频的信道估计、盲估计和半盲估计。
关键词：
正交频分服用（OFDM）；信道估计；导频
RESERCHONOFDMCHANNELESTIMATIONMETHODS
Abstract
Expectedtoprovideubiquitous、high-qualityandhigh-ratemobilemultimediatransimissionistheaimofthefuturewirelessmobilecommunicationsystem.however,hostilemultipathfadingradioconditionsleadtoseriousISI（inter-symbol-interference）;Tomakethesituationcomplicatedandworse,wirelesschannelareoftentimevaryingandthatmakesthesystemmorevulnerableandhardertotrackthechannelstate.OrthogonalFrequencyDvisionMultipleing（OFDM）,whichisresistantagainstISI,hasraisedpopularresearchinterestinrecentyears,andhasbeenapromisingcandidatetechnologyofphysicallayerforfutureweidebandhigh-date-ratewirelesscommunication,butOFDMismuchmorevulnerabletoerrorsofbothchannelestimationandhowtoobtaincorrectchannelestimationefficientlyisreallyimportantforofdmsystem.
Thispaperfirstlyintroducethedevelopmentsandtrendsofmobilecommunication,andexplainstheadvantageanddisadvantageofOFDMtechnologyandexpoundedthebasicprinciplesandidentityofOFDMtechnology.Anditcomparesthecharacteristicsofsingle-carrierandmuti-carriersystem.AnditintroducedthebasicmodelsOFDMsystem.
Thispapermainlyintroducethewaysofchannelestimation.wecanclassifytheminthreetypes:
pilot-assistedchannelestimation、blindandsemi-blindeestimation,wewilldiscussthefirsttype.Pilot-assistedchannelestimation,whichobtainsthechannelimpulseresponseforallsub-carriersbypilotsub-carrierscantrackthevarietyofchannelandwillgethighaccuracywithlittlecomplexity.soitisapracticalwayofchannelestimation.
Keywords:
OFDM;channelestimation:
pilot-assisted
目录
摘要
Abstract
1绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2国内外发展动态及主要应用2
2.正交频分负用通信传输所用无线信道简介3
2.1传统无线信道的介绍3
2.2无线通信信道的特征3
2.2.1衰减特性3
2.2.2多径特性4
2.2.3时变特性5
3正交频分负用系统的介绍8
3.1OFDM原理概述8
3.2正交频分负用通信系统的模型9
3.2.1OFDM调制与解调9
3.2.2OFDM系统的IFFT/FFT实现原理9
3.2.3正交频分负用的CP简介10
3.2.4OFDM系统组成11
3.3OFDM系统的关键技术简介12
4OFDM信道估计13
4．1引言13
4．2无线正交频分负用通信系统信道估计方法研究[10]13
4．3正交频分负用信道估计算法准则14
4．40FDM信道参数估计的常用方法14
4.4.1基于块状导频的信道估计方法论述14
4.4.2基于梳状导频的信道估计15
4.4.3基于离散傅里叶变化的信道估计[13]16
4.4.4信道盲估计算法16
5各种信道估计算法的仿真17
5.1基于导频的信道估计算法仿真17
5.2基于块状导频下LS、MMSE、ML三种算法的仿真比较18
6结论20
参考文献
附录
致谢
OFDM信道估计算法的研究
1绪论
1.1研究背景及意义
现代社会已经逐步步入信息时代，多媒体和计算机通信在现代社会中起到的作用越来越重要，移动通信是指通信双方至少有一方在运动中进行信息传输，现在移动通信已经从第一代发展到第三代移动通信系统，技术的更新换代越来越的时间越来越短，系统的数据速率也越来越高。
目前，基于CDMA技术的第三代（3G）移动通信系统的开发日益成熟已步入实用化阶段。
基于其最大传输速率可达2Mbps，服务业务的范围被进一步扩大，可为移动用户提供较低速率视频、数据、话音、数据、文件传输、Web浏览、Email、文件传输等多种业务服务。
随着移动业务的快速发展，对数据速率要求越来越高，3G已远不能满足未来无线通信系统的要求。
非实时高速率数据传输，数十到数百Mbps的大速率高质量的实时多媒体,多业务融合和多网合一等要求人们去对第四代（4thGeneration,4G）移动通信技术进行研究。
第四代移动通信系统提供适应未来需要的无线通信服务，包括多媒体通信即语音、数据、图像等的同步传输，我们也可称它为宽带多媒体移动通信（MultimediaMobileCommunication）.4G移动通信系统不仅兼具2.5G和3G的能力，更重要的是它具有比其它移动通信系统更高的数据传输速率。
由于多载波调制技术正交频分复用（OFDM）具有高频谱利用率、抗码间干扰、易于实现、成本低等优点，故OFDM技术已经被看做是4G系统的主要备选技术。
目前，它已经成为欧洲数字音频广播（（DAB）和数字视频广播（DVB）的标准[1]。
对相关技术的进一步研究才能使OFDM系统的性能不断提升，信道估计作为OFDM技术中非常重要的一环需要被仔细研究。
作为无线移动通信领域中的一个研究热点，它是进行相干检测、解调和均衡的基础，对OFDM系统进行高速数据传输有着非常重要的作用。
此外，信道估计已经应用在为空时码的解码等技术提供所需信息，在无线数据通信中，因为要获得所有数据包经过的信道状态信息，所以信道估计的角色极其重要。
1.2国内外发展动态及主要应用
OFDM系统是一种特别的多载波传输技术OFDM系统是一种不同与一般的多载波调制技术，使用相互正交的子载波进行调制，频带调制后频谱有些部分互相重叠减少了带宽的浪费，使不同子载波调制的信号互相干扰降低，还大大提高了频谱利用率，OFDM是调制也是复用技术，历经40多年的发展，并行传输和频分复用的技术概念在20世纪60年代就已经形成。
[2]
OFDM技术发展至今有下面5个阶段[3]
第1阶段:
频谱利用率低的FDM技术起始阶段。
第2阶段，多载波调制通信的初始高频谱利用率阶段。
因为该系统的调制载波仍然是传统实现方式，子信道保护频带会占用带宽从而降低系统频谱效率。
第3阶段:
多载波调制理论不断发展阶段。
第4阶段:
正交频分负用无线通信系统理论的形成。
1985年，Cimini将正交频分负用的思想应用到无线蜂窝通信系统，从此无线通信中应用OFDM的理论正式形成。
第5阶段:
实际应用阶段。
近几十年，集成电路飞速发展，高速度、大点数的离散傅里叶变换使得OFDM技术应用成为可能，主要应用有无线局域网、数字电视广播、数字声音广播。
但是现阶段随着用户数量的增加，移动速度的要求不断增高，数据流量的大幅增加使现存OFDM依然出现许多问题。
2.正交频分负用通信传输所用无线信道简介
作为通信系统的重要组成部分，信道特性对无线信号的传输起着重要作用。
发射机与接收机之间的传播路径通常非常复杂，可以简单到视线之间的传播，同样也可以复杂到各种地形各种阻碍物的阻挡。
无线信道具有随机性，而有线信道固定且容易预见。
通常，无线信道的传播模型可分为大尺度（Large-Scale）传播模型和小尺度（Small-Scale）传播模型[4]。
大尺度传播侧重与描述收发机之间距离在几百到几千米内的电磁场强度变化，可以预测出接收场强度的平均值以及接收场的有效作用范围。
小尺度传播侧重与描绘接收信息在短距离传输后幅频特性的快速变化，相比较大尺度衰落可以忽略其影响，因此，对信道特性的了解对无线通信系统的管理与优化意义十分巨大。
准确了解通信系统的信道特性可以提高通信系统的运行效率以及运行质量。
此章节主要讨论无线通信信道特点与特性。
2.1传统无线信道的介绍
信道的主要性能参数有信道带宽、传输速率、信道容量、吞吐量和误码率等，信道特性决定或影响这些性能参数[5]。
无线通信信道在某种程度上会对无线通信性能指标进行限制，如误码率、最高数据传输速率，信道利用率等。
无线信道复杂性高，其特性与与所经地形、物体有密切关系。
在我们通常所要研究的移动通信系统以及实际应用所要考虑的室内无线通信，。
下面的因素是必须要考虑的，山、树、河、墙壁等地形地物和其余物体对信号的漫反射、折射、透射和散射造成传输信号通过多条不同路径传送到接收机。
由于不同路径的衰减和传输时延是不完全相同的，这也就造成了到达接收机的信号的幅相特性是随机变化的。
这种信道也就是多径信道，表现为选择性衰落。
表征无线信道特性的参数有很多，主要有传播衰减、时延扩展和相干带宽、多普勒扩展和相干时间、衰落分布、衰落速率以及衰落持续时间等[5]
这里需要做特别说明的是，室内信道与室外信道是按照工作频段在2.4GHZ和5GHZ的无线局域网来做分类的。
2.2无线通信信道的特征
无线信号（电波）的传输体制极为复杂，按照传播方式的不同，通常可以分为直射传播、反射传播、散射传播等几种。
下面将从衰减特性、多径特性、时变特性、角度扩展与相干距离四个方面介绍无线信道。
2.2.1衰减特性
无线信号经过无线信道的传输过程中，信道路径的长短，信号受到的阻碍情况会影响信息质量，如果信号发送过程中遇到阻碍信号的质量就会受到影响。
路径损耗、阴影损耗、小尺度衰落是无线信道衰减的三个方面。
（1）路径损耗
收发信机之间的距离，也就是通常所说的信号的搜盖范围是设计无线网络的基本考虑因素。
对于噪声功率有上限的系统，路径损耗可以确定信噪比:
对于干扰受限系统路径损耗可以确定了相同频率、相邻频率的干扰程度，决定了何种复用方式更合适。
接收机天线所处的位置决定了路径损耗模型，大尺度传播特性可以由路径损耗决定。
（2）阴影衰落
绕射现象即无线信号在空间传播受到阻碍物的阻挡，这些阻碍物的背面会产生电磁波的阴影。
绕射现象会改变场强度的大小，信号的功率会减少，这就叫做阴影衰落。
阴影衰落在比较大的空间里来统计与定义的，概率分布近似为高斯分布，传播环境和电磁波的频率等因素会决定衰落速度。
阴影衰落会附加路径损耗，附加的损耗很可能产生翟盖盲区，即小区的边缘区域通信质量会下降很多。
根据要解决问题的本质要求，即让信号的强度在一定区域内有保证，一般方法通常是使发射功率额外增加，也就是给接收到得信号多加一个衰落储备（FadeMargin）。
（3）小尺度衰落
无线通信系统中，因为无线电波经过不同的路径传播，而不同的路径的传输距离是不同的，因而不同发射信号经过不同的路径传送到接收机所需时间、传输相位各不相同。
接收器叠加了不同接收相位的信号，如果不同的接收信号是相位相同的话信号的幅频特性会增加;相位相反则会减小信号幅度。
若收发机之间距离较近，信号经过无线信道传输到信号接收机时信息的功率很容易发生突然变化，这就是小尺度衰落。
由此可见，路径损耗、阴影衰落描述了无线通信信道从大尺度角度对传送信号幅度减小的影响，即大尺度衰落。
它对信号影响极其缓慢，所以又被称为慢衰落。
与其相反的，小尺度衰落又被叫做快衰落，无线信道突变特性能被快衰落完整描述。
2.2.2多径特性
而是不同的路径，这些路径叠加了信号信息的直射、反射、折射所构成的信号。
不同信号经过的不同路径上的传播时延和功率损耗各不相同，信号到达接收机的相位也不同，基于此原因，接收点信号场强或信号功率随时间、地点和频率的不同而快速起伏被称为多径衰落。
多径衰落是信号场强度或信号功率随不同时间、地点、频率而发生的不停变化。
如果把多径信道看作一个线性时变系统，那么它的冲激响应可以看做一个随机过程，多径信道特性的研究就是研究这个随机过程的统计特性，后续信道估计算法将详述如何得到估计的信道参数。
（1）瑞利（Rayleigh）衰落
通常情况下，移动通信系统中，发射信号经过发射机发射经过不同路径的信道到达接收端，接收端所接受的信号是不同路径的传输信号之和。
如果信号经过不同路径到达接收机之后，幅值和到达接收天线的相位角是随机且满足统计独立的，接收信号的包络服从瑞丽分布。
瑞丽分布通常用来描述平坦衰落或信号经多径信道后接收信号的统计特性。
（2）时延扩展（DelaySpread）
下面分析时延扩展的角度分析多径信道对信号在多径信道传输的影响。
由于不同路径的长度不同，信号经不同路径传播到达接收机的时间不相同，致使接收到的信号幅频特性不清，这就是时延扩展或延迟扩展。
第一个无线信号到达接收机的时间与最后一个无线信号到达接收机的时间差叫做最大时延扩展.这是主要恒量多径信道参数的一个变量。
无线数字通信系统中，信号传输过程中因为时延而码元频谱混叠，从而先生码间串扰（ISI），ISI会使接收机判决时发生错误。
只有时延扩展明显小于数字信号的码元宽度的时候，无线通信的数字传输才不会受到影响。
信号在数字多径信道传输的码元速率的最大值会因为时延扩展而限制在一定范围之内。
时延扩展作为区别窄带信道以及宽带信道的主要参照标准，最大时延扩展惯用
表示，如果
不小于比特周期，那么这种信道就是宽带信道:
否则，就是窄带信道。
在这样的信道信号传输系统中，传播过程中的功率损耗和各种衰落会使信号有失真;宽带系统中，ISI（时延扩展引起）则是引起信号失真的主要因素。
（3）相干带宽（CoherenceBandwidth）
频率范围不同的信号经历一样的多径时延会产生不同的相位差，无线信号经过不同信道、传播到达接收点后的信号合成强度是随着不同频率的变化而变化的，这叫做频率选择性衰落，信道对无线传送信号的时间色散引起会引起这种衰落，因为此衰落，信息在传输过程中会出现串扰。
做为描述信道频率相关性的参数之一，相干带宽是指在一定的频率范围内任意两个频率分量在幅值特性上具有很强的相关性。
相干带宽是最大时延扩展的倒数[6]，即
（2.1）
当信号经不同路径具有衰落特性的信道中传输时，如果信号带宽
小于信道相干带宽
，则在接收机端接收到的信号的幅度、相位相关性较强，非频率选择性衰落，在时域与时间有关。
这种信道通常被称为频率非选择性信道（FrequencyNonselectiveChannel），平坦衰落是不会造成信息之间的互相干扰的，由于信号功率的减小，从而使得信号功率与噪声功率比值下降，所以通信系统的性能还是很难保证。
故为了确保码元信息之间不互相干扰，应确保
（2.2）
即确保信道是平坦性衰落信道。
就是码元周期必须要大于
，在接收端中如果信号信息不经过信道均衡的话，码元传输速率的最大值就会被限定（相干带宽的倒数）。
另外，虽然频率非选择性信道（FrequencyNonselectiveChannel）的衰落和频率没有关系，但它仍然是时变信道，会随着时间的变化而变化，相干时间或多普勒扩展决定了它的衰落。
还有一种情况，如果
，那么传送的无线信号中的不同频率部分的衰落就不同，因而会产生频率选择性衰落，也就是说传输信号中有些频率成分的分量会得到加强，另外一些频率分量会得到减弱。
上述参数描述了频率选择性信道，多径时延扩展会被包含在信道冲激中描写。
的在接收机所得信号中含有经厉了不同衰减量和不同多径时延的信号，接收信号因而信号质量下降。
同时，窄带系统就是信道带宽比相干带宽小，而宽度系统就是信道带宽相干带宽大。
2.2.3时变特性
时延扩展以及相干带宽反映的是无线通信信道的色散随时间变化特性，无线通信信道参数随时间变化的特性却不能被描述。
收发信机之间的互相运动以及信道中其余物体的运动能够引起信道的参数随时间变化，多普勒扩展以及相干时间则是描述它的主要参数。
（1）多普勒频移
当收发信机做相互运动时，接收机所得信号频率将偏移。
详细的说，接收机与发射机做同向运动时候，接收机所得信号频率会高于发射端信号频率;接收机与发射机作反向运动时，接收机所得信息频率会低于发射端信号频率，这就是多普勒效应。
多普勒效应能够引起多普勒频移，有两个参数能描述多普勒频移，收发信机运动方向以及运动速度，计算公式[5]为:
（2.3）
（2.3）中，
即为多普勒频移的最大值，c为光速，
是接收信号和接收机移动速度间的夹角。
很容易看出，多普勒频移被限制在
，它通常比载频
小得多。
接收机接收到得信号的不同频率分量被不同的多普勒频率所偏移。
（2）多普勒扩展的定义
因为多普勒的效应，移动台的不断运动，散射体或者是反射体同样发生位置变化，信号经多条信道传播后，接收端接收到的信号频率发生了改变，这就是由信道参数变化随着时间变化而造成的多普勒关于频率的扩展现象，多普勒效应基于此原因信道的衰落随着时间不同而不同的原因。
多普勒频率的扩展反应了经过时变特性影响的接收端收到的信号的频谱被展宽的倍数。
发射机发射频率为
的正弦波时，由于多普勒的效应的影响，经信道时变特性影响的接收端数据信号频谱会别展宽，频谱范围
，其中
为多普勒频移，这一频谱就是多普勒频率频谱。
接收机的接收信号多普勒频谱图中所有非零区域称为多普勒扩展，符号是
。
当所要发射的基带信号的带宽远远大于多普勒扩展时，多普勒扩展在接收机中的影响可以忽略，这种信道被认为是慢衰落信道，相反的信号的带宽比多普勒扩展小的话，此时多普勒扩展的影响很大不可忽略，信道是衰落特性快速的信道。
（3）相干时间
相干时间从时域反映了信道频率的色散的随着时间的变化性质，信道估计、编码的纠错以及交织设计等会影响相干时间
。
多普勒扩展和相干时间的变化趋势相反，它是指信道冲激响应在时间的间隔固定的情况下的平均值统计量，指给定一时间间隔，在上述时间间隔里，接收到的发送信号幅度大小相关性很强。
时域上的扩展引起相干带宽，频域上的扩展影响着相干时间。
信道变化越慢相干时间越大，相应的多普勒频率扩展也就越小。
相干时间
在数值上与多普勒频移互为倒数，即
（2.4）
如果数据速率大于衰落速率，或者信号带宽大于多普勒扩展，那么这种信道就是衰落速度慢的信道，若比特时间比相干时间大，信号带宽比多普勒扩展度小，此信道就是衰落速度快的信道。
特别声明的是，在室内环境中，对于WLAN，接收端移动速度很慢，多普勒频率移动故可以忽略不计，所以室内WLAN信道可以看成是衰落速度慢的信道。
后面介绍信道估计时还会对衰落速度慢的信道估计的方法做介绍。
3正交频分负用系统的介绍
OFDM是一种多载波调制传输技术，具体应用时，输入端的数据流经串并转换成为N个并列传输的数据流，所有子数据流数据速率是输入端信息速率1/N倍。
此N个平行数据流各自调制相应频率的载波，调制完成后
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