WiMAX系統(tǒng)中導(dǎo)頻和信道估計(jì)

WiMAX是以IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無線接入技術(shù)，支持固定、游牧、便攜和全移動(dòng)4種應(yīng)用場(chǎng)景。近年來，寬帶無線技術(shù)發(fā)展迅猛，WiMAX逐漸成為無線通信業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)主要包括固定寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)802.16d和移動(dòng)寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)802.16e。其中，802.16e憑借其移動(dòng)性的支持，高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的提供和較低的成本，被業(yè)界視為能與3G相抗衡的下一代無線寬帶技術(shù)。由于正交頻分多址接入(OFDMA)技術(shù)具有抗多徑衰落能力強(qiáng)，頻譜利用率高等特點(diǎn)，802.16e和802.16d的物理層核心技術(shù)都采用了OFDMA[1-2]。

信道估計(jì)是OFDMA系統(tǒng)應(yīng)用研究的關(guān)鍵技術(shù)，其準(zhǔn)確程度極大地影響著系統(tǒng)性能，尤其是結(jié)合多輸入多輸出(MIMO)高階調(diào)制時(shí)。到目前為止，針對(duì)單輸入單輸出(SISO)-OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)方法甚多，有基于最小平方(LS)的頻域信道估計(jì)，有基于傅立葉變換(FFT)的信道估計(jì)，有基于LS準(zhǔn)則和最小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則的時(shí)域信道估計(jì)，有盲信道估計(jì)等。這些方法各有利弊，在不同系統(tǒng)中的性能差異較大。

OFDMA系統(tǒng)中，上下行鏈路工作原理差別很大，下行鏈路是一個(gè)廣播信道，可遵循正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)中信道估計(jì)方法的思想，而對(duì)于上行鏈路，各用戶與基站的通信是隨機(jī)的，每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)自己的多徑衰落信道，信道估計(jì)需分別進(jìn)行。當(dāng)OFDMA系統(tǒng)結(jié)合MIMO技術(shù)時(shí)，接收信號(hào)是多根發(fā)射天線的信號(hào)疊加，不同天線之間的信號(hào)存在干擾，信道估計(jì)的準(zhǔn)確程度極大地影響著系統(tǒng)性能，因此MIMO系統(tǒng)中對(duì)信道估計(jì)的準(zhǔn)確程度比一般SISO系統(tǒng)要求更高。另外，802.16d和802.16e標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上下行鏈路定義了不同的子信道分配方案，以適應(yīng)不同的情形。在各種分配方案中，導(dǎo)頻開銷和導(dǎo)頻圖案有所不同，因此所采用的信道估計(jì)方法也不同。綜上所述，研究WiMAX-MIMO-OFDMA系統(tǒng)中，不同導(dǎo)頻模式下的信道估計(jì)極具意義。

1 WiMAX-MIMO-OFDMA系統(tǒng)模型

WiMAX-MIMO-OFDMA系統(tǒng)的發(fā)射接收流程與OFDMA子信道分配方法、MIMO技術(shù)及其編碼矩陣等有關(guān)，其框架結(jié)構(gòu)較多，具體見文獻(xiàn)[1]。發(fā)射端大概包括編碼、交織、調(diào)制、子信道化、MIMO編碼、插導(dǎo)頻、快速傅里葉反變換(IFFT)操作、濾波、數(shù)模(DA)變換、無線射頻(RF)調(diào)制等流程，其先后順序在不同情況下有所變化。接收端與發(fā)射端互為逆過程。

OFDMA子信道分配分為完全使用子信道(FUSC)和部分使用子信道(PUSC)。FUSC是先選擇導(dǎo)頻子載波，再將剩下的子載波分成子信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；而PUSC是先把可用子載波分成子信道，再在每個(gè)子信道中選擇導(dǎo)頻子載波。

MIMO技術(shù)主要包括發(fā)射分集和空間復(fù)用[3]。WiMAX系統(tǒng)中支持的有空時(shí)分組碼(STBC)，空頻分組碼(SFBC)，跳頻分集碼(FHDC)，垂直分層空時(shí)碼(V-BLAST)和水平分層空時(shí)碼(H-BLAST)[1]。下行鏈路中支持2根、3根和4根發(fā)射天線，上行鏈路中僅支持2根發(fā)射天線[1]。對(duì)于不同發(fā)射天線數(shù)，有A、B、C這3種編碼矩陣[1-2]。

WiMAX系統(tǒng)中的子載波分為3種：數(shù)據(jù)子載波，用于傳輸數(shù)據(jù)；導(dǎo)頻子載波，用于各種估計(jì)或同步；空子載波，包括保護(hù)子載波和直流(DC)子載波，不用于傳輸[4]。

802.16e的目標(biāo)是能夠向下兼容802.16d，其物理層實(shí)現(xiàn)與802.16d基本一致，主要差別在于對(duì)OFDMA進(jìn)行了擴(kuò)展。802.16d中，僅規(guī)定了2 048點(diǎn)OFDMA。而802.16e中，可以支持2 048點(diǎn)、1 024點(diǎn)、512點(diǎn)和128點(diǎn)，以適應(yīng)不同地理區(qū)域從20 MHz到1.25 MHz的信道帶寬差異。本文的信道估計(jì)是針對(duì)802.16e標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究的，其同樣適用于802.16d。

2 WiMAX-MIMO-OFDMA系統(tǒng)導(dǎo)頻圖案

OFDMA系統(tǒng)中下行(DL)子信道分配方法包括DL-PUSC、DL-FUSC、下行可選完全使用子信道(DL-OFUSC)、支持自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)子信道的可選子信道分配等，上行(UL)子信道分配方法包括UL-PUSC、上行可選部分使用子信道(UL-OPUSC)、支持AMC子信道的可選子信道分配[1]。本文重點(diǎn)介紹其中5種。

2.1DL-PUSC

首先將可用子載波(數(shù)據(jù)子載波和導(dǎo)頻子載波)分成基本簇，一個(gè)子信道包含兩個(gè)基本簇，一個(gè)基本簇包含兩個(gè)時(shí)間符號(hào)，占用每個(gè)符號(hào)中的14個(gè)子載波，如圖1所示。

DL-PUSC是下行部分使用子信道，所有導(dǎo)頻隨著基本簇的劃分被分成6個(gè)組，這6個(gè)組又分給不同的扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)調(diào)用其中的一個(gè)或多個(gè)組。DL-PUSC支持2根和4根發(fā)射天線，不同天線間的導(dǎo)頻通過時(shí)域和頻域區(qū)分，其變化周期為4個(gè)時(shí)間符號(hào)。

2.2DL-FUSC

DL-FUSC調(diào)用所有子信道，首先在可用子載波中指定導(dǎo)頻子載波，然后將剩下的數(shù)據(jù)子載波分成子信道。導(dǎo)頻子載波分為固定導(dǎo)頻和可變導(dǎo)頻，分別包含固定和可變的兩個(gè)導(dǎo)頻集。導(dǎo)頻集中導(dǎo)頻子載波數(shù)目和位置隨子載波個(gè)數(shù)的不同而不同[1]。固定導(dǎo)頻不隨時(shí)間變化，可變導(dǎo)頻根據(jù)奇符號(hào)和偶符號(hào)改變導(dǎo)頻子載波，導(dǎo)頻位置的計(jì)算如式(1)所示：

PilotLocation=VariableSet#x+6×(SymbolNumbermod2) (1)

其中，x=0或1，SymbolNumber表示第m個(gè)符號(hào)，m 從0開始。

DL-FUSC支持2根或4根發(fā)射天線，其變化規(guī)則如下：

(1) 2根發(fā)射天線：在偶時(shí)間符號(hào)內(nèi)，天線0使用VariableSet#0和ConstantSet#0，天線1使用VariableSet#1 和ConstantSet#1；在奇時(shí)間符號(hào)內(nèi)，天線0使用VariableSet#1和ConstantSet#0，天線1使用VariableSet#0和ConstantSet#1。其中，可變導(dǎo)頻子載波每2個(gè)符號(hào)變化一次，如式(2)所示：

PilotLocation=VariableSet#x+6×floor( (SymbolNumber/2) mod 2) (2)

(2) 4 根發(fā)射天線：在偶時(shí)間符號(hào)內(nèi)，天線0使用VariableSet#0和ConstantSet#0，天線1使用VariableSet#1 和ConstantSet#1，天線2使用VariableSet#0＋1，天線3使用VariableSet#1＋1；在奇時(shí)間符號(hào)內(nèi)，天線0使用VariableSet#1，天線1使用VariableSet#0，天線2使用VariableSet#1＋1和ConstantSet#0，天線3使用VariableSet#0＋1和ConstantSet#1。其中，可變導(dǎo)頻子載波的位置也是每?jī)蓚€(gè)符號(hào)變化一次。

2.3DL-OFUSC

這種分配方法調(diào)用所有的子信道，先分配導(dǎo)頻載波，再將剩下的數(shù)據(jù)子載波分成子信道。導(dǎo)頻子載波的分配方法是：每9個(gè)可用子載波為一組，分為若干子載波組，每組指定一個(gè)導(dǎo)頻子載波，導(dǎo)頻子載波的位置根據(jù)OFDMA符號(hào)的時(shí)間序號(hào)而改變。如果9個(gè)連續(xù)子載波的編號(hào)是0~8，則導(dǎo)頻子載波的編號(hào)是3l＋1，l=m mod3(m是OFDMA符號(hào)序號(hào))。DL-OFUSC支持2根、3根或4根發(fā)射天線。

2.4UL-PUSC

和DL-PUSC 一樣，首先將所有可用子載波分成“單元塊”，每個(gè)單元塊由3 個(gè)連續(xù)符號(hào)上的4 個(gè)連續(xù)子載波組成，導(dǎo)頻子載波位于每個(gè)單元塊的四角，如圖2所示。子信道由6個(gè)不相鄰單元塊構(gòu)成。UL-PUSC僅支持2根發(fā)射天線，其變化規(guī)則見圖3。

2.5UL-OPUSC

該方法中每個(gè)子信道包含6個(gè)單元塊，每個(gè)單元塊由3個(gè)連續(xù)符號(hào)上的3個(gè)連續(xù)子載波構(gòu)成，導(dǎo)頻子載波指定為第二個(gè)子載波上的第二個(gè)符號(hào)。UL-OPUSC僅支持2根發(fā)射天線。

2.6五種導(dǎo)頻模式分析比較

(1)分配導(dǎo)頻數(shù)

DL-FUSC和DL-OFUSC屬于下行導(dǎo)頻模式，調(diào)用了所有的子信道，接收端可以得到全部導(dǎo)頻信號(hào)；DL-PUSC屬于下行使用子信道的導(dǎo)頻模式，每個(gè)扇區(qū)調(diào)用其中的一個(gè)或多個(gè)組，接收端得到的導(dǎo)頻多少和調(diào)用組的數(shù)目和型號(hào)有關(guān)；UL-PUSC和UL-OPUSC屬于上行部分使用子信道的導(dǎo)頻模式，一個(gè)用戶分配其中的一個(gè)或多個(gè)子信道，接收端得到的導(dǎo)頻多少與分配的子信道數(shù)目有關(guān)。

(2)導(dǎo)頻開銷

UL-PUSC>UL-OPUSC>DL-PUSC> DL-OFUSC>DL-FUSC。

(3)導(dǎo)頻功率

DL-PUSC、DL-FUSC、DL-OFUSC 和UL-OPUSC這4種模式中，導(dǎo)頻處功率比平均數(shù)據(jù)功率高2.5 dB；而UL-PUSC模式中，兩者相等。

3 WiMAX-MIMO-OFDMA系統(tǒng)中的信道估計(jì)

目前的信道估計(jì)種類繁多，本文就3種典型的估計(jì)方法進(jìn)行研究。仿真條件為：子載波個(gè)數(shù)是1 024，載頻為3.5 GHz，信道模型采用6徑的典型城市(TU)信道[5]，循環(huán)前綴是64，發(fā)射接收天線分別為2和1，車速是50 km/h，采用1/2卷積編碼加交織，其他不同條件下的信道估計(jì)仍可參考這些仿真圖。

3.1時(shí)域LS信道估計(jì)

(1) 時(shí)域LS信道估計(jì)算法原理

時(shí)域LS信道估計(jì)器實(shí)際是一個(gè)解相關(guān)器，接收信號(hào)通過和偽逆矩陣相乘分離出信道特性。算法假設(shè)接收端知道每個(gè)徑的具體延時(shí)，但不知道確切增益。

若一根發(fā)射天線的一個(gè)時(shí)間符號(hào)上有M個(gè)導(dǎo)頻{a i(mk)}, k =0,1…M -1，i 表示第i 根發(fā)射天線，mk表示第k個(gè)導(dǎo)頻所處的子載波，mk∈{0…N -1}，N為子載波個(gè)數(shù)，那么接收到的導(dǎo)頻信號(hào)，其矩陣形式如式(3)所示(為了簡(jiǎn)化，省略掉接收天線和時(shí)間序號(hào))：

其中，

代表第k個(gè)導(dǎo)頻子載波上的接收信號(hào)；hi=[hi(0),hi (1)…h(huán)i (L -1)]?祝，hi (l)代表了第一徑的復(fù)信道增益；hpi是加性高斯噪聲向量；Tpi =diag[ai(mk)/k =0…M -1]是一個(gè)Mp×Mp的對(duì)角矩陣，Wpi見式(4)：

Wpi是M×L的傅立葉變換矩陣，?子i, i =0…L -1是每徑的時(shí)延，Tu是符號(hào)周期。

因?yàn)?Tpi )HTpi=dI，d為常數(shù)，I為單位陣，所以信道的時(shí)域沖激響應(yīng)如式(5)所示：

hLS=((TpiWpi)HTpiWpi)-1(TpiWpi)HYpi

=1/d ((Wpi)HWpi)-1(TpiWpi)HYpi (5)

然后把時(shí)域沖激響應(yīng)hLS轉(zhuǎn)換到頻域，就得到所需的信道頻域響應(yīng)。

(2) 時(shí)域LS信道估計(jì)仿真性能及分析

分配的導(dǎo)頻數(shù)目對(duì)時(shí)域LS估計(jì)器影響較大，此估計(jì)器非常適合下行FUSC和下行可選FUSC模式；對(duì)于下行PUSC，如果只分配一個(gè)組時(shí)，一般不采用(子信道分配數(shù)目與組的型號(hào)有關(guān))；對(duì)于上行的導(dǎo)頻模式，只有用戶分配到的子信道數(shù)為兩個(gè)以上時(shí)方可采用。另外，估計(jì)性能還與導(dǎo)頻功率有關(guān)，在導(dǎo)頻載波數(shù)相同的情況下，上行PUSC性能較差。圖4是時(shí)域LS信道估計(jì)的均方誤差(MSE)性能比較圖。

3.2頻域LS信道估計(jì)與插值

WiMAX-MIMO-OFDMA系統(tǒng)的導(dǎo)頻模式是二維離散的，第k 個(gè)子載波的頻域LS信道估計(jì)H(k )如式(6)所示：

其中Y(k )、H(k )、p(k )和W(k )分別表示第k個(gè)子載波的接收信號(hào)、信道頻率響應(yīng)、導(dǎo)頻信號(hào)和高斯白噪聲。

WiMAX系統(tǒng)中，定義了保護(hù)子載波，而且導(dǎo)頻不是以2的n 次方等間隔插入，這樣，公式(6)不能進(jìn)一步化簡(jiǎn)，存在求逆計(jì)算，復(fù)雜度較高，目前的硬件條件難以實(shí)現(xiàn)。另外，此算法需要預(yù)先知道信道多徑時(shí)延，這給信道估計(jì)也帶來了一定不便。

對(duì)于頻域LS信道估計(jì)，只能得到離散點(diǎn)的信道狀態(tài)信息，要得到全部子載波的響應(yīng)，必須進(jìn)行插值。目前，線性插值(Linear)，三次樣條插值(Spline)和最近點(diǎn)插值(Nearest)是3種常見的方法。Linear插值相當(dāng)于把相鄰的數(shù)據(jù)點(diǎn)用直線連接進(jìn)行插值；Spline插值是利用已知數(shù)據(jù)求出樣條函數(shù)后，按照此函數(shù)插值，其曲線最光滑，但當(dāng)數(shù)據(jù)分布不均勻時(shí)，結(jié)果不理想；Nearest插值是根據(jù)已知兩點(diǎn)間的插值點(diǎn)和這兩點(diǎn)間的位置遠(yuǎn)近來插值，實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單，但插值最粗糙。

由于插值結(jié)果與導(dǎo)頻密度，導(dǎo)頻功率和導(dǎo)頻圖案有關(guān)，并不是所有模式都適合使用，下面分別進(jìn)行分析：

(1) 下行PUSC：此模式下的插值是以簇為單元，每根天線在簇中的每個(gè)時(shí)間符號(hào)上僅分配到一個(gè)導(dǎo)頻載波，因此，只能采用Nearest插值。

(2) 下行FUSC：3種插值方法都可采用。但是下行FUSC的導(dǎo)頻分布及不均勻，采用Spline插值時(shí)，性能較差，另外，Nearest插值性能較差。綜上，建議選擇Linear插值。

(3) 下行可選FUSC：3種插值都可采用。此模式的導(dǎo)頻分布較均勻，高性噪比時(shí)，Spline性能甚至比Linear好。但低信噪比時(shí)，由于受噪聲影響，Spline性能不如Linear。

(4) 上行PUSC：此模式下的插值是以塊為單元，每根天線在塊中每個(gè)時(shí)間符號(hào)上至多分配到一個(gè)導(dǎo)頻載波，因此，只能采用Nearest插值。

(5) 上行可選PUSC：此模式可采用Linear插值和Nearest插值，其中，Linear性能較好。

另外，比較常見的還有濾波器插值(如維納插值)，但由于復(fù)雜度較高，不予說明。圖5是頻域LS信道估計(jì)與插值的MSE性能比較圖。

3.3基于FFT的信道估計(jì)算法

基于FFT的信道估計(jì)只適合于導(dǎo)頻以2的n (n 為非負(fù)整數(shù))次方等間隔插入的情況。而WiMAX-MIMO-OFDMA系統(tǒng)中，不僅存在保護(hù)子載波，而且導(dǎo)頻也非2的n 次方等間隔插入，因此要利用這一估計(jì)方法，必須做一些改進(jìn)。下面是具體步驟：

采用頻域LS算法得到導(dǎo)頻處的信道頻域響應(yīng)；

對(duì)離散的信道狀態(tài)信息插值，得到可用子載波處的信道頻域響應(yīng)；

構(gòu)建頻域連續(xù)性，即對(duì)保護(hù)子載波部分進(jìn)行插值(鑒于復(fù)雜度問題，可采用Linear插值)，得到N點(diǎn)的信道頻域響應(yīng)HLS；

將HLS(k )經(jīng)過IFFT操作轉(zhuǎn)換到時(shí)域：h1(n )=IFFT [HLS]；

保留h1的前LCP點(diǎn)(循環(huán)前綴長(zhǎng)度)和后Ltail點(diǎn)(根據(jù)當(dāng)前信道類型和導(dǎo)頻個(gè)數(shù)取值)，中間置0，減小噪聲影響：

將h2(k)經(jīng)過FFT操作轉(zhuǎn)換到頻域，即得所需信道估計(jì)值：HFFT(k)=FFT[h 2(n )]。

這一方法僅適用于下行FUSC和下行可選FUSC，但考慮到下行FUSC的導(dǎo)頻分布不均勻，插值性能不好，建議不采用。下行可選FUSC中的MSE性能如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文仿真比較了WiMAX-MIMO-OFDMA系統(tǒng)中的信道估計(jì)，得出了每種導(dǎo)頻模式下的最優(yōu)信道估計(jì)：

(1)下行PUSC：導(dǎo)頻分配較多時(shí)，時(shí)域LS信道估計(jì)最優(yōu)，否則采用頻域LS估計(jì)和Nearest插值；

(2)下行FUSC：時(shí)域LS估計(jì)最優(yōu)，其它方案性能較差；

(3)下行可選FUSC：時(shí)域LS估計(jì)最優(yōu)，其次可選改進(jìn)的FFT信道估計(jì)；

(4)上行 PUSC：用戶分配到較多子信道時(shí)，時(shí)域LS信道估計(jì)最優(yōu)，否則采用頻域LS估計(jì)和Nearest插值；

(5)上行可選PUSC：用戶分配到較多子信道時(shí)，時(shí)域LS估計(jì)最優(yōu)，否則采用頻域LS估計(jì)和Linear插值。另一方面，考慮到目前的硬件水平，時(shí)域LS估計(jì)較難實(shí)現(xiàn)，可采用次優(yōu)的簡(jiǎn)單算法。

5 參考文獻(xiàn)

[1]IEEEStd802.16e-2005. IEEE standard for local and metropolitan area networks, Part 16: Air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems amendment 2: Physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operation in licensed bands and corrigendum 1[S]. 2006.

[2]IEEEStd802.16-2004. IEEE standard for local and metropolitan area networks, Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems[S]. 2004.

[3]王文博,鄭侃,等. 寬帶無線通信OFDM技術(shù)[M]. 北京:人民郵電出版社，2003.

[4]YAGHOOBIH.Scalable OFDMA physical layer in IEEE 802.16 wireless MAN [J]. Intel Technology Journal, 2004, 8 (3): 201-212.

[5]GSM05.05version 5.0.0[S]. 1996.