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LTE-A下行信道估计算法研究

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“ 蜘 , ELECTRONIC电子测量技术 MEASUREMENT T ECHN()L()GY 第320613卷第1年lO月0 期 LTE—A下行信道估计算法研究 程光军 王 萍 张庆芳 (中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050) 摘 要:LTE A(1ong term evolution advanced)通信系统采用正交频分复用(0FDM)为其物理层核心技术以获得抗频 率选择性衰落和高频谱利用率等优点。接收端需要对多径信道动态估计和跟踪以满足相干解调,准确而简单的信道 估计算法可以提高数据传输速率和降低用户设备的功耗。对I TF_A中基于导频的下行信道估计算法进行研究,提 了一种使用神经网络的信道估计算法。该算法考虑了下行传输链路的信道频率选择性,利用接收到的导频信号动态 跟踪信道的变化特征,然后根据得到的信道信息对接收数据进行相干解调。仿真结果表明,与最小二乘(I s)、最小均 方误差(MMSE)等传统方法相比较,该信道估计算法在均方误差(MSE)、误符号率(SER)和计算复杂度方面具有更好 的性能,并且能保证I TE—A系统吞吐量需求。 关键词:LTE—A;4G;OFDM;信道估计;链路级仿真 中图分类号:TP2 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:510.5015 LTE-A downlink channel estimation algorithm Cheng Guangj un Wang Ping Zhang Qingfang (Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Shanghai 200050,China) Abstract:LTE-A(1ong term evolution advanced)communication system uses orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)as the core technology for the physical layer to achieve robustness against frequency selective fading and high spectral efficiency.Receiver requires dynamic multipath channel estimation and tracking for coherent demodulation,so an accurate and simple channel estimation algorithm can improve the data transmit rate and reduce the power consumption of user equipment.This paper describes the LTE—A downlink channel estimation by using pilot and proposes a channel estimator using neural network.This algorithm considers the downlink transmissions with channel frequency selectively and uses the received pilot signal to dynamically track the channel characteristic changes,then preforms coherent demodulation for the received data according to the obtained channel information.Simulation results show that compared to the conventional methods least square(I S)and MMSE,the proposed method has better performance in terms of mean square error(MSE),symbol error rate(SER)and complexity,and can effectively improve the system throughput. Keywords:LTE A;4G;OFDM;channel estimation;1ink level simulator 1 引 言 OFDM系统中,对高速数据流进行串/并转换映射到不同 子载波上进行传输,使得每个子载波上的数据符号持续时 间相对增加,从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所 LTE项目是以OFDM和MIMO为主要技术基础,开 发出满足更低传输时延、提供更高用户传输速率、增加容量 和覆盖、减少运营费用、优化网络架构、采用更大载波带宽 带来的符号间干扰,进而减小接收机内均衡器的复杂度。 针对ITu的目标,LTE A提出的峰值速率目标是下行 1 Obit/s,J二行500 Mbit/s【=3 ,更高的传输速率要求接收端 并优化分组数据域传输的移动通信标准。为满足ITu关 于4G方案的需求,3GPP提出LTE—A(LTE—Advanced)标 准,在LTE系统设计目标的基础上,进一步提高频谱效率 能够准确快速地获得信道信息并且反馈给发射端以调整调 制编码方式等设置,所以简单而精确的信道估计算法在 和对高速场景的支持 。I TE—A下行传输基于OFDM LTE—A系统中发挥着关键的作用 。为满足高速移动性 技术,通过将有效频带划分为多个相互正交且重叠的子载 的需求,LTE—A采用基于梳状导频的信道估计算法,第1 波,以此减少子载波之间的干扰和提高频谱利用率。 收稿日期:201 3 05 ・ 34 ・ 程光军等:LTE—A下行信道估计算法研究 步是对导频信号进行估计,可以采用LS或MMSE等算 法 ],第2步是在对导频进行估计的基础上进行插值算法 Y—DFT(IDFT(X) 第1O期 h+ )一XH+N (1) 式中:F表示DFT变换矩阵。OFDM子载波输入与输出 之问的关系为: Yk, 处理,得到所有传输数据信息的子载波的信道特性,插值一 般采用线性或更高阶的插值算法_8]。通过研究LTE-A系 一H¨X¨+N¨ (2) 统在多径信道环境下的信道估计技术,提出了一种基于神 H 是第i个OFDM符号处第k个子载波上的信道频 率响应。信道冲激响应表示为:, ^ 1 经网珞的信道估计算法,估计器首先通过学习以适应信道 特性的变化,然后利用导频子载波处的信道特性来估计非 导频子载波处未知的信道响应,通过搭建LTE-A链路级仿 h(r, )一 h (£)8( 一Z'm) (3) m 0 真平台验证该算法能够有效改善信道估计的均方误差,降 低系统误符号率且具有更低的运算复杂度,适用于移动终 端低复杂度低消耗的需求。 2链路级仿真模型 为了验证所提出的信道估计算法对移动通信系统性能 的改进,依照3GPP组织发布的LTE—A标准进行系统物理 层下行链路级仿真。如图1所示为LTE—A单码字传输过 程,首先对发送信号进行信道编码并交织,然后将交织后的 数据比特串/并转换后调制映射到OFDM符号的各个子载 波上;将导频符号插入相应的子载波后,对所有子载波上的 符号进行逆傅里叶变换生成时域信号。 L== 二::=J L二二二二二—二=J I l L二二二f_ —二J L二=_二_二二二=J [jl 篮 图1 LTE—A仿真平台架构 接收端的处理是发送端的逆过程,通过在导频子载波 位置提取出参考信号以进行信道估计,并且将估计结果映 射到CQI(信道质量指示)反馈到发射端且产生Turbo解码 所需的软比特信息 川。为简化计算,信道插值采用时频2 个一维线性内插的方式获得完整的信道响应估计值。 3信道估计方法 令x和y分别表示发射端IFFT模块的输入和接收端 FFT模块的输出,h和 表示信道冲激响应和AWGN噪声 的采样,H和N分别为它们的频域表示。假设信道的最大 多径时延小于CP(循环前缀)的长度,则OFDM接收信号 表示为: 式中:M表示多径数,h ( )和r 表示信道的冲激响应和多 径时延。X 表示以发射端导频子载波发射的导频值为主对 角线的对角阵,y 表示接收端提取出的经过信道之后的导 频数据,N 表示导频数量。 3.1最小平方误差(LS)估计器 最小平方误差信道估计的原理是最小化接收信号y和 发射信号X之间的平方误差: min.-J(H)一minHr{(y—XH) (y 用H 对式(4)做微分,可得: J(H)一一X Y+X XH—o (5) LS信道估计的结果为Ⅲ。 : 白 一x一 y一 ̄Y0Y, … YN] (6) A。^一般情况下,OFDM系统的LS信道估计技术具有较 低的复杂度,但LS算法受高斯白噪声和子载波间干扰的 影响很大,会产生很高的均方误差,估计的准确度较差。 3.2最小均方误差(MMSE)估计器 MMSE估计器采用信道的二阶统计量来最小化均方 误差。R 、RHH和R 表示h、H和y的自相关矩阵,R 表 示 和y的互相关矩阵, 表示噪声方差,假设h和噪声N 之间不相关,则: ^fMsE—R^ Rw-1Y (7) 可以得到MMSE估计的结果[】 : ^ ^ H MMSE—Fh —FC(F“X“) R-- 1d 2 十XF y— R [R +d (XX ) ] H (8) 式中:上标H表示矩阵的Hermit转置。 MMSE算法的性能比LS更好,尤其是在低信噪比的 情况下。MMSE算法的一个主要缺点是它的计算复杂度 高,接收端需要知道信道归一化的信道冲激响应的自相关 RHH以及信噪比SNR,特别是每次X中的数据变化时都要 进行矩阵求逆计算。 3.3神经网络算法 NNM(neural network method)估计器的原理来自神 经网络中的图像识别。估计器利用导频子载波提供的信道 信息来估计整个信道的频率响应。NNM的输入P定 义为: ・ 35 ・ 第36卷 电 子 测 量技术 p=Xe- ̄ye=[ YPo… YPl…蒜YPN-1] NNM的估计目标值为: H—X Y—IN。H …HⅣ- ] NNM输出的估计值设为: (9)4仿真与结果分析 4.1仿真场景与参数设置 (10) 根据3GPP标准搭建仿真平台进行计算机仿真,仿真 参数如表1所示,仿真场景设定为单用户,采用PedB(ITU 步行B信道)城市信道模型,MIMO模型为4×2的空间复 (11) 用,仿真子帧数为2 000。 表1仿真参数设置 H—H+e—IN。+e。…H 1+e ̄11] NNM需要多次测试以保证收敛,通过最大限度地缩 短该算法的学习时间和保持较低的实现复杂度以提高整个 系统的性能。单个神经元的输出为: 奇,一,(∑W P +6 ) (12) 用矩阵形式表示为: H 一f(WfrP+b ) (13) W 一[w W川W .一 ],w 是连接激励i到神经元 的突触权重值,P 是输入的激励,H是输出的神经元,0≤ j≤N一1,f是线性函数,bj是神经元 的偏移值。NNM学 习阶段使用高效梯度方向传播算法,通过修改权重值以最 小化H和H之间的均方误差。决定NNM性能的总均方 误差如下式: N 1 N 1 1 E一 ( (14) 是第 个神经元的输出误差,z是训练符号序号。 一,(w P )一H =H 一H (15) 权重w 通过如下算法进行更新: 1)权重值初始化为小幅度随机值; 2)根据导频位置的信道响应值在时间方向上进行插 值,得到每个子帧中所有OFDM符号上的信道响应。 3)计算在一次迭代中权重的变换量: I AW 一一 ∑ t "。TP ) (16) 4)更新权重值: w (矗+1)一W,(志)+△WJ(愚) (17) 5)如果误差变得更大,则返回步骤3,否则继续执行步 骤6; 6)获得满足要求的w 。 学习阶段完成后,NNM利用导频信道的P来估计H, 然后对OFDM符号进行判决。通过仿真表明,对于一次学 习,NNM可以估计出6 000个OFDM符号,对应于4O个 LTE—A无线帧。 ・ 36 ・ 参数名称 取值 传输带宽 2O MHz 子载波间隔 15 kHz FFT点数 2 048 子载波数目 1 200 调制方式 16 QAM 无线信道 PedB,5条径,最大时延3.7 ms MIMO接收 SSD PRB最大数 1OO HARQ重传次数 3 子帧长度 1 ms 载波频率 2.1 GHz 循环前缀长度 4.69“s CQI等级 7 Turbo编码速率 0.58 无线信道模型 平坦瑞利衰落 4.2仿真结果与分析 从图2、图3可以看出,相比于LS估计器、MMSE估计 器,NNM估计器在均方误差(MSE)和误符号率(SER)方 面有提高,特别是在信噪比高的时候SER有明显改进。由 图3可见在低信噪比条件下,信道质量较差,性能提升困 难,即使NNE估计器能对信道进行准确估计,依然不能改 善误符号率的性能,这是因为在信噪比较低时,噪声对信道 估计的影响成为主要因素,NNM信道估计算法不能显示 出其优越性。 图2 MSE性能曲线 ∞ /善智帐 程光军等:LTE—A下行信道估计算法研究 第1O期 图3 SER性能曲线 NNM估计器能提高系统吞吐量,如图4所示。仿真 表明,在不同信噪比条件下,采用NNM算法都能够得到低 于LS和MMSE的误码率,保证了LTE—A系统对更高峰 值速率和频谱效率的需求。 45 40 35 30 25 20 15 lO 5 0 信噪比/dB 图4吞吐量性能曲线 5 结 论 LTE—A下行信道采用基于导频的信道估计方法, NNM估计器能通过学习以适应信道的变换。仿真结果表 明NNM估计器具有适应信道变化的优势和能力,能提供 更准确的信道估计,从而提高LTE—A系统的服务质量。在 NNM的估计阶段,只需要一次矩阵相乘算法,在保证系统 高数据速率的条件下能有效降低信道估计算法复杂度,更 适用于LTE—A下行信道中移动终端低复杂度和低功耗的 特点,具有重大的实际应用价值。 参考文献 [1] 郎为民,杨德鹏,李虎生.LTE—Advanced标准化进 展[J].数据通信,2O12,12(1):11-15. 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