OFDM系统中基于导频的信道估计技术的研究开题报告朱东晟12002415修改稿评语

南京邮电大学通达学院毕业设计(论文)开题报告题目OFDM系统中基于导频的信道估计技术的研究学生姓名朱东晟班级学号12002415专业通信工程（嵌入式系统开发）一、课题任务的学习与理解OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转变为平坦信道，从而减小了多径衰落的影响。在OFDM系统中，接收天线上的接受信号是发射天线的发射信号经过信道传输混合叠加后的信号，为了在接收端抵消信道传输中的损耗，正确接收信号，就必须知道多径信道的信道信息。因此，OFDM系统中，时变信道的精确估计和跟踪是必不可少的重要环节。基于导频的信道估计方法是在发送端中某些固定的位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计。在研究无线信道时频分离特性的基础上，具体讨论两种导频分布方案：一种是一维梳状导频分布，一种是时频二维矩形导频分布。根据不同的导频分布方案，对一维梳状导频信道估计方法，以及时频二维导频辅助信道估计方法分别展开研究。最终结果的实现需要用Matlab仿真软件。二、综述移动无线信道是典型的随参信道。它对信号的影响分为大尺度衰落和小尺度衰落。前者描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。后者描述移动台在极小范围内移动时，短距离或短时间上接收场强的快速变化，用于确定移动通信系统应该采取的技术措施，因此也是信道估计技术关注的重点。在无线移动通信中，影响小尺度衰落的因素很多，包括多径传播、移动台的移动速度、信道中障碍物的移动速度、信号的传输带宽等。但总的说来，无线信道的小尺度衰落主要分为两个方面，多径衰落和多普勒频移，分别对应频率选择性衰落和时间选择性衰落。多径衰落效应是由于障碍物的折射、散射或反射等原因造成的。不同路径到达的信号由于行程不同，信号的幅度和时间延迟也不同，该效应会造成接收信号在时间上的展宽，即多径时延扩展。多普勒频移描述的是由于移动台与信号源的相对运动，造成的接收信号的频率变化，该效应会造成接收信号在频率上展宽，即多普勒扩展。OFDM技术起源于多载波调制（Multi-CarrierModulation，MCM）技术，多载波调制将高速串行的数据分解为若干个彼此独立的低俗并行数据流，然后分别调制到不同的载波上，构成多个窄带数据流并行传输，从而提高数据对抗多径时延扩展能力。实现多载波调制需要使用大量的载波发生器和滤波器，硬件成本非常高，所以限制了多载波技术的应用。在传统的多载波调制系统中，由于前端滤波器滚降特性受限，为了避免子频道间的载波间干扰，子频带之间的间隔必须大于奈奎斯特带宽，使得不同频带之间相互隔离，以保证彼此互不干扰。RobertW.Chang的论文中提出使用子信道频谱部分重叠但又不互相影响的载波来并行传输数据，即OFDM的原型。在OFDM系统中，允许相邻子频带相互交叠，但是保证在采样点处彼此相互正交，从而避免不同信道之间的干扰。与普通多载波调制系统相比，OFDM系统的频谱利用效率大大提高。Weinstein和Ebert于1971年提出采用DFT运算在基带实现OFDM调制和解调，为了避免信道间干扰和符号间干扰（ISI），两人提出在相邻符号间采用一段空白作为保护间隔，同时在时域采用升余弦窗函数进行滤波。保护间隔长度取决于信道最大多径时延。采用空白信号作为保护间隔在扩散信道下可以避免ISI，但是不能获得精确度子载波正交性。Peled和Ruiz在1980年提出采用循环前缀(CP)作为保护间隔，从而解决了子载波正交性问题。通过引入循环前缀，在扩散信道下，只要循环前缀的长度大于信道时延，发送数据与信道冲激响应的线性卷积被转化为循环卷积，由数字信号处理原理可知，时域循环卷积对应到频域是直接相乘，从而保证了子载波的正交性，即插入循环前缀后，系统的有效能量有所损失，但是完全消除了子载波间干扰，这点损失还是非常值得的。至此，OFDM调制的基础技术已经成熟。虽然OFDM基本调制原理在20世纪80年代就已经基本成熟，FFT的算法也早已提出，但是由于当时数字器件发展起步不久，数字信号处理(DigitalSignalProces，DSP)能力还有限，进行FFT运算的复杂度依然难以承受，因此在较长一段时间内，OFDM技术并没有得到成功的应用。直到20世纪90年代，随着大规模集成电路技术的迅速发展，解决了硬件实现的难题，OFDM才逐渐被各种通信系统所采用。为了克服信道多径效应对数据流的影响，OFDM系统将高速数据流转化成若干个低速数据流并行传输，由于并行数据流的符号周期大大延长，信道多径效应引入的符号间干扰明显削弱。OFDM在频域将信道分成若干个正交的子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，分别调制到每个子信道上进行传输。由于每个子信道的带宽通常小于信道相关带宽，因此每个子信道可以看成平坦衰落的信道，从而可以避免符号间干扰（ISI）。为了对抗多径时延扩展带来的块间干扰，系统通常采用循环前缀填充OFDM数据块之间的保护间隔，循环前缀的插入还可以使得数据块与信道冲激响应的线性卷积转化为循环卷积，从而使得频域均衡变得十分简单。除此之外，OFDM相对于单载波系统还有一个重要的优势在于，OFDM系统能够根据每个子信道的信道条件进行资源的灵活分配，如根据注水算法获得最大系统容量。由于OFDM具有高频谱效率、可对抗频率选择性衰落、实现简单以及可灵活分配子载波资源等优点，因此在宽带无线通信系统中得到了非常广泛的应用，被许多标准确定为物理层核心技术。OFDM系统的优点:(1)抗频率选择性衰落能力强。OFDM通过串并降低了各子载波的信号带宽，从而将宽带频率选择性衰落信道变成若干路窄带平坦衰落信道，从而具有良好的抗频率选择性衰落特性。(2)信道均衡简单。由于OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。一般只需要单抽头的频域均衡器就可以完成信道均衡。(3)频谱利用率高。由于OFDM系统各子载波间正交，允许子信道间的频谱相互重叠，因此，与单载波系统或传统的FDM系统相比，OFDM系统频谱利用率高。(4)实现简单。由前面分析知道，OFDM的调制解调完全是通过基带数字信号处理的方式实现的。不需要传统的FDM所需要的振荡器组，滤波器组等复杂和昂贵的结构。但是，OFDM技术也有一些缺陷需要采取技术措施去解决：(1)对定时和频偏敏感。OFDM优良的性能是建立在各子载波正交的基础上的，所以OFDM系统对载波频偏很敏感。在OFDM系统中，由于发送和接收振荡器之间存在不匹配性，或在无线信道中存在多普勒频移，使得发送端和接收端存在载波频率偏移。载波频率偏移引入载波间干扰(ICI，降低了子信道之间的正交性，从而降低了整个系统的性能。对有大量子信道组成的OFDM系统来说，子信道带宽相对整个信道带宽来说小的多，因此，少量的频率偏移将会导致信噪比实质性的降低。同样，定时不精确也会造成载波间干扰、降低子信道之间的正交性。(2)峰值平均功率比(PAPR)问题。OFDM传输波形为多个正交子载波已调信号的叠加，当它们同相叠加时，会产生较大的峰值功率PAPR。特别是子载波数量较大时，峰值平均功率比现象会更明显。因此，OFDM调制信号的动态范围相当大，这就要求系统中的功放具有较高的线性放大范围，以避免传输信号的频谱扩散和非线性失真，同时也要求后继的D/A转换器具有较大的转换宽度，这样就增加了系统成本和实现难度。未来高速移动通信需要更多的子载波，因此PAPR问题会更突出。三、初步拟定执行方案1.在OFDM系统中，基于导频的信道估计方法通过插入导频来进行信道估计，是非常有效的方法在设计OFDM系统的导频结构时，一方面，导频之间的间隔应尽量小，以保证对信道的时变性与频率选择性能够很好的跟踪;另一方面，导频的间隔也要适当大些，以使系统开销较小。采样定理指出，对任一带限一维随机过程进行采样，若采样频率大于奈奎斯特频率，则可以根据采样信号完全恢复出原来的信号。对于多维情况，采样定理同样成立。导频信号以一定的方式插入在OFDM符号中，一般考虑到噪声的影响，通常采用两倍的过采样，所以导频的时域间隔Nt和频域间隔Nf分别为:𝑁𝑡≈12∙12𝑓𝑚𝑇𝑁𝑓≈12∙12∆𝑓𝜏𝑚𝑎𝑥在块状导频分布的OFDM系统中，将连续多个OFDM符号分成组，每组中的第一个OFDM富豪发送到品信号，其余OFDM符号传输数据信息；基于梳状导频的信道估计算法是在利用LS,MMSE等估计准则得到导频子信道上的频域信道响应估计后，若导频间隔小于信道的相干带宽，那么通过在频域内进行插值，就可以估计出传送数据信息的子信道的信道频域响应，从而对接收信号做出频域均衡，恢复出信息数据。采用不同的插值算法，得到的准确度不同，一般来讲，如果算法的阶数越高，信道的估计性能就越好，对导频处的估计采用LS算法。在OFDM系统中，如果己知𝐻(𝑘)的估计𝐻̂(𝑘)，则𝑋(𝑘)的估计𝑋̂(𝑘)为：𝑋̂(𝑘)=𝑌(𝑘)+V(𝑘)𝐻̂(𝑘)＝𝑋̂(𝑘)𝐻(𝑘)𝐻̂(𝑘)+Λ(𝑘)2.基于导频的信道估计主要依靠在数据流中插入的导频信号来完成对信道响应的估计，因此导频信号的设置方式对于信道估计甚至整个系统的性能都有很大的影响。这其中包括导频信号插入的密度(即按多大的比例在数据流中插入导频信号)、导频图案(即按何种规律插入导频信号)等。不同的导频图案在数据效率相同的情况下，即使采用相同的估计算法也会有不同的性能表现，所以有必要比较各种不同的导频图案，选择一种比较好的导频图案，以便在提高有效的数据利用率的同时保持较好的信道估计性能。矩形结构(SquareType)。导频信号在时域和频域两方向上均为等间隔分布，通常采用两倍的过采样,其间隔分别为Nt和Nf，两者满足下式：𝑓𝐷𝑚𝑎𝑥𝑇𝑠𝑁𝑡≤14𝜏𝑚𝑎𝑥∆𝑓𝑁𝑡≤14信道估计采用LS信道估计算法。3.具体进度1.全面理解课题和设计要求，完成开题报告2周2.对正交频分复用的基本原理和OFDM系统的基带结构进行研究2周3.研究OFDM系统的DFT快速实现和消除信道间干扰(ICI)的循环前缀(CP)技术2周4.学习和安装Matlab仿真平台2周5.对一维梳状、二维导频辅助信道估计方法分别展开研究3周6.进一步改进，在Matlab上实现提出的方案2周7.整理资料，撰写论文，准备答辩2周四、主要参考文献和资料[1](美)JosephBoccuzz著.通信信号处理.刘祖军等译.电子工业出版社,2010.[2]杨昉，何丽峰，潘长勇.OFDM原理与标准——通信技术等演进.电子工业出版社,2013.[3]赵谦.同系统中MATLAB基础与仿真应用.西安电子科技大学出版社,2010.[4]张贤达,保铮.通信信号处理.国防工业出版社,2000.[5]邱玲.第三代移动通信技术.人民邮电出版社,2001.[6]JosephBoccuzzi.通信信号处理.电子工业出版社,2010.[7]波尔拉.空时无线通信导论.清华大学出版社,2005.[8]佟学俭,罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用.人民邮电出版社,2003.[9]PeterHoeher,StefanKaiser,andPatrickRobertson,”Two-DimensionalPilot-Symbol-AidedChannelEstimationbyWienerFiltering”,inProc.1997IEEEInternationalConferenceonAcoustics,Speeh,andSignalProcessing,Munich,Germany,Apr.1997,pp.1845-1848.[10]Y.G.Li,C.Cimini,andN.Rsollenberger.Robust,”Robustchannelestimationforofdmsystemswithrapiddispersivefadingchannels”,IEEETrans.onCommu.,1998,vol