硕士学位论文开题报告-基于导频的OFDM信道估计研究.doc

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1、河北大学硕士学位论文开题报告院（ 中 心 ）：电子与通信工程学院学科、专业： 电子与通信工程研 究 方 向 ： 移动通信指 导 教 师 ： 研 究 生 ： 入 学 年 月 ： 二零一零年九月论 文 题 目 ： 基于导频的OFDM系统信道估计研究开题报告日期：二零一一年九月研 究 生 学 院目 录一、课题来源、研究目的及意义1二、OFDM系统主要技术研究现状42.1移动通信发展现状42.2 OFDM在移动通信中的应用与发展5三、课题主要研究内容63.1 第一章 绪论63.2 第二章OFDM系统63.3 第三章 无线信道的传播特性103.4 导频位置信道估计113.5 非导频位置信道估计143.6

2、 总结与展望14四、研究方案的进度安排和预期达到的目标14参考文献16一、课题来源、研究目的及意义1.1 课题来源首先，选择基于导频的OFDM系统信道估计研究这个题目作为我的硕士论文的研究方向，是在我的导师龙海南副教授的悉心指导下进行的。其次，在查阅相关资料后，了解到，未来移动通信系统的发展向高质量、高传输速率方向发展，而正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波数字通信技术，这种技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用率开辟了一条新的路径，但同时要想使OFDM系统出色地完成信息传输，还有诸多技术亟待解决，比如信道估计技术。由于相干解调方式具有更好的误码性能,在高速无线通信中得到了广泛

3、应用,但是相干解调需要用到信道信息,所以要想在接收端获得及时信道状态信息,必须对信道特性进行估计和跟踪。于是我选择进行信道估计的研究。1.2 研究的目的意义我们已经知道，下一代无线移动通信的目的是支持高质量和高速度的移动多媒体业务。然而数据传输环境最为复杂，不仅存在强烈的噪声干扰、多径时延、多普勒频移，还存在很多非理想条件的影响。因此如何克服信道的频率选择性衰落和多普勒频移的影响成为亟待解决的关键问题。在采用相干解调的OFDM系统中, 为了有效抑制多径衰落信道的影响, 必须对信道进行有效地估计,以保证发送信号在经过衰落信道后被正确接收，提高系统接收增益，而信道估计的准确与否直接影响着系统性能的

4、好坏。信道估计是通信领域的一个研究热点，它是进行相关检测解调均衡的基础。由于OFDM多载波的出现，这为信道估计技术的应用提供了新的空间。从最早的无分集的单载波信道估计到现在的有分集的多载波信道估计，从时域或频域信道估计到现在的时频域二维估计信道估计，信道估计的性能在不断的提高。信道估计需要考虑三个重要方面:导频符号的设计，要兼顾信号的冗余度和估计的性能;信道模型的选取，要考虑多径环境和多普勒频移的影响;估计算法，估计算法直接决定了估计器的复杂度。同时，这三者也是相互联系密不可分的。围绕这三个问题，本文将分别在不同章节予以解决。二、 研究现状2.1移动通信发展现状移动通信具有发展最快、应用最快、

5、最前沿的特点。移动通信的最终目标是实现任何人可以在任何地点、任何时间与其他任何人进行任何方式的通信（五个任何）。2.1.1 3G技术目前移动通信已发展到第三代移动通信系统。主要由WCDMA(日本DoDoMo公司)、CDMA2000(美国郎讯和摩托罗拉)、TD-CDMA(欧洲西门子和阿尔卡特)、TD-SCDMA(我国提出的拥有自主知识产权)组成。然而，第三代移动通信系统仍然存在一些问题：1.因为不同业务之间用户的相互干扰太多，把数据提高速率很困难。2.不能实现现有各种无线网络（各种无线局域网、卫星网络、公用无线蜂窝网络等）之间的无缝漫游。 3.不适应互联网非对称传输的要求。2.1.2 4G技术前

6、瞻由于3G技术的不足，于是提出了对下一代无线通信系统（4G）的研究。4G技术具有以下基本特征：1.能融合现有技术的通用结构；2.频谱利用率高，即在给定的为数不多的频带内传输高速数据流；3.扩充性强，即具有不同的单元模快（如热点(hot spot)、移动自组织网(Ad hoc)等），并能覆盖不同的业务范围；4.自适应性和重构性强，能支持不同的标准和技术；5.成本低，市场准入快；适合于未来的新技术发展需要。4G移动通信在描绘高速的数据传输，提供从语音到多媒体业务丰富业务美好前景的同时，也面临着两大挑战：多径衰落和带宽利用率。2.2 OFDM在移动通信中的应用与发展正交频分复用(OFDM)技术是一种

7、多载波数字通信技术，这种技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用率开辟了一条新的路径。20世纪70年代人们提出了采用离散傅立叶变换(DFT)，快速傅立叶变换(FFT)实现多载波调制，从而使OFDM的实际应用成为可能。20世纪80年代以来，随着DSP芯片技术的发展、格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等的应用，OFDM技术开始从理论向实际应用转化。20世纪90年代，OFDM开始被应用于广播信道的宽带数据通信、数字音频广播(DAB)、高清晰度数字电视(HDTV)和无线局域网（WLAN）等领域。20世纪90年代年代以来，OFDM技术被广泛应用于1.6Mb/s高比特率数字用(HDLS)、

8、6 Mb/s不对称数字用户线(ADSL)、100 Mb/s甚高速数字用户线(VDSL)、数字音频广播和数字视频广播等方面。最近，OFDM又被用于54 Mb/s无线局域网标准IEEE 802.11a（物理层采用了OFDM技术）和IEEE 802.11g、高性能局域网标准HiperLAN/2、欧洲宽带无线接入网ETSI-BRAN、IEEE 802.16 MAN和集成业务数字广播(ISDB-T)标准中。目前，基于OFDM的4G系统的关键技术研究包括系统同步、信道估计研究和多输人输出(MlMO)的结合，自适应调整和编码技术以及系统资源管理、无线通信系统间的无缝切换等已经展开。OFDM技术由于其频谱利用

9、率高、成本低等原因越来越得到人们的关注。随着人们对于通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在固定无线接入领域和移动接人领域将越来越得到广泛的应用。许多大学、著名公司已充分认识到OFDM技术的应用前景，纷纷开展了对无线OFDM的研究工作，除了解决OFDM的同步、峰均比高等传统难题外，还包括OFDM与空时码、联合发送、联合检测、智能天线、动态分组分配等相结合的研究工作。在未来的宽带接入系统中，OFDM会是一项基本技术。国内外关于OFDM的研究方向大致可分为这样几个方面：一个是在理论上的研究，以期能够进一步发挥OFDM的价值，提高系统性能，并指导工程实践，比如动态选择子信道技术，用于

10、降低噪声的干扰；另一个方面是研究OFDM与其它技术的结合，比如与扩频调制技术或者CDMA技术结合等；还有就是纯粹意义上的OFDM如何实现，在硬件上如何做到最优化。三、课题主要研究内容3.1 第一章 绪论本章对论文的课题来源、研究的背景、目的和意义、主要研究内容以及结构安排做简单介绍。3.2 第二章 OFDM系统本章对OFDM技术进行讨论，包括它的基本原理、发展历史、关键技术、实现方法以及优缺点。3.2.1 OFDM系统的基本原理OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据流

11、转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。图1 OFDM基本模型框图（调制模型）3.2.2 OFDM的发展历史数字通信中，如果发射信号的带宽超过了信道相关带宽，信号通过信道将经历频率选择特性的衰落，信道呈现出频率选择衰落特性，我们称信道呈现出频率选择特性的数字通信为宽带数字通信。宽带数字通信系统经历了单载波调制方式系统、早期多载波调制方式系统和正交频分复用（OFDM）系统，使系统频谱利用率得到大幅度提高。3.2.3 OFDM系统的关键技术OFDM系统包含多项关键技术，有同步技术研究，峰均功率比研究，信道估计研究，信道编码技术研究，多输入多输出（MIMO）技术研究等，本文将就信道估计

12、技术进行分析与研究。3.2.4 OFDM系统的实现方法OFDM系统的实现方法有模拟实现和数字实现，随着数字通信技术的发展，OFDM系统一般采用数字实现的方法。本文研究的也是数字实现方法。图2 OFDM系统的数字实现示意图3.2.5 OFDM系统的优缺点通信系统的频谱利用率和误码率是系统的重要指标。为了提高这两项指标，人们进行了大量的研究。OFDM调制方式也应运而生。综合看来，OFDM系统具有如下的优点: （1）抗频率选择性衰落性能强。通过OFDM调制与解调，宽带频率选择性哀落信道变换成了许多窄带的平坦哀落信道。因此，OFDM系统的抗频率选择性哀落性能强。（2）有效的消除符号间干扰（ISI）。多

13、径干扰是影响无线通信系统传输性能的主要因素之一。OFDM将高速率数据流通过串并变化，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的ISI，减小了接收机内均衡的复杂度。同时，OFDM技术采用循环前缀，可以有效地减小符号间干扰和多径衰落的影响。因此，OFDM抗多径能力强。图3 加入循环前缀的OFDM信号（3）频带利用率高。传统的多载波系统中，为了防止子载波间干扰，各个子载波在频带上是不重叠的，载波之间通过保护频带完全分离，这样的频带利用率比较低。而OFDM技术没有采用保护频带，而是使子载波相互正交，这样就提高了系统的频带利用率。当系统子载波数很大时，系统的

14、频带利用率可以非常接近奈奎斯特极限2Bode/Hz。图4 OFDM与传统FDM的频谱比较图（4）抵抗窄带干扰。在单载波系统中，一个干扰可能导致整个系统的失效，而在OFDM系统中，只有一部分的子载波被影响，在一定程度上减小了窄带干扰的影响。（5）系统结构简单，易于实现。单载波系统中，需要通过自适应均衡器来消除多径的影响，实现起来很复杂且成本高，而OFDM系统具有良好的抗多径能力，不需要复杂的均衡器，一般只需要设计单抽头的滤波器就可以完成信道的均衡。同时，各个子信道的正交调制和解调可以采用离散傅立叶反变化(IDFT，Inverse Discrete Fourier Transform)和离散傅立叶

15、变化(DFT，Discrete Fourier Transform)的方法在基带实现正交频分复用(OFDM)，在子载波数很多的系统中，可以采用IFFT和FFT来实现。并且随着集成电路技术和DSP技术的飞速发展，其实现都是比较简单的；（6）易结合。易于与现有的空时编码等技术结合。通过与空时编码、分集、干扰抑制、自适应调制、自适应编码、自适应资源、自适应比特分配及智能天线等技术相结合。（7）信道分配灵活。当进行双向通信时，可以根据信道的特性划分传输子信道，进行自适应的资源分配方式，提高频谱利用率。（8）传输的非对称性。无线数据业务一般下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路的数据传输量，而OFDM

16、技术可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。由于这些优点，近年来OFDM系统得到了广泛的应用。但是，OFDM系统也具有若干缺点，需要进行进一步的研究:（1）系统对载波频偏十分敏感。由于OFDM系统子信道是相互重叠的，所以对子载波的正交性提出了严格的要求。由于多普勒频移，以及发射机载频与接收机的本地振荡器之间的频率差，包括载波频率偏差、采样频率偏差等，会使正交性遭到破坏，产生子载波间干扰（ICI）。这是OFDM技术的主要缺点。（2）峰均比（PAPR）过大。OFDM信号由多个子载波信号叠加而成，当这些子载波信号相位相同时，幅度叠加在一起，就会产生很大的瞬时峰值幅度

17、，造成OFDM信号的峰值功率和平均功率之比很大。较高的峰均比，容易使得信号的频谱发生畸变，破坏子载波间的正交性，这就对发射机的放大器线性度提出很高的要求。（3）对时间选择性衰落敏感。未来通信系统速率更高，用户移动速度更快，导致信道的快变特性更加明显，信道参数在一个OFDM符号内有明显的变化，产生载波间干扰。3.3 第三章 无线信道的传播特性本章首先对无线信道的传播特性进行介绍，重点分析多径和多普勒频移对信道的影响。通过比较分析，选取合适的信道模型，并进行建模。信道是发送端和接收端之间的传播媒介的总称，它是任何一个通信系统所不可或缺的组成部分。按传播媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大

18、类。有线信道是平稳的、可预测的，而有些无线信道则是极其随机的。移动信道属于无线信道，它既不属于传统的有线信道，也与一般固定的无线信道有所区别。其主要的特点为:第一，通过电磁波在自由空间的传播来传输信息;第二，发射和接收环境的复杂性和多样性;第三，用户的随机移动性。本文所涉及的信道就是无线移动信道。通常情况下，接收信号经过无线信道，功率是随距离变化的，这种变化可以用下面的公式表示: 式中d表示基站与移动终端间距离的绝对值。S(d)表示阴影衰落，R(d)表示多径衰落。无线信道传播模型分为大尺度传播模型和小尺度传播模型。大尺度传播模型描述的是大的发射接收距离的信号强度变化，常用来估计发射机的无线覆盖

19、范围;而小尺度传播模型则主要描述非常短的距离或非常短的时间间隔内的接收信号强度的迅速变化。大尺度传播模型常简称为路径损失模型，小尺度传播模型则简称为衰落模型。由于移动台的运动，还会使得无线信道呈现出时变性，产生多普勒频移，在多径条件下，便形成了多普勒频谱扩展，对信号造成随机调频的多普勒效应。本文将重点对小尺度衰落进行介绍。图3给出了多径衰落信道模型。图5 多径衰落信道模型3.4 第四章 导频位置信道估计3.4.1信道估计综述前一章中已经提到空间信道不仅存在大尺度衰落影响，还有多径和多普勒频移影响，很容易破坏子载波间的正交性，引起符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI）。因此，有效的信道估计对

20、校正这些干扰和提高整个系统性能有极其重要的意义。信道估计可以定义为描述物理信道对输入信号的影响而进行定性研究的过程，也可以这样理解，信道估计就是估计发送天线到接收天线之间的无线信道的频率响应。在OFDM系统中，信道估计是保证信号正确解调的关键。信道估计的方法通常可分为三类:第一类是基于导频(Pilot)符号辅助的插值技术信道估计(pilot一Symbol一Aided Channel Estimation，PSACE)。将导频符号按照一定的格式插入发送数据流中，在接收端由导频符号推知整个信道信息。根据插入的导频符号在IFFT之前还是之后，分为时域导频符号插入法和频域导频符号插入法，以及时一频二维

21、的导频符号插入法;第二类是基于判决反馈信道估计 (Decision一Directed Channel Estimation，DDCE)。在利用导频的同时利用接收机的判决，在假设判决正确的情况下可以获得比PSACE好的估计性能;第三类是基于被传输信息符号的有限字符特性和其统计特性的盲信道估计。本文将对第一类信道估计方法进行研究，即基于导频的OFDM系统信道估计方法研究。本章通过对导频符号结构的分析，讨论导频处信道估计的方法，并进行比较分析。图6给出了基于导频的OFDM信道估计仿真框图。IFFT和插入循环前缀信道模型插入导频数据符号调制去除循环前缀和FFT数据位置信道估计解调符号滤除导频信道均衡导

22、频符号提取导频位置信道估计图6 信道估计仿真框图3.4.2基于导频符号的相干检测相干检测需要用到信道的信息，因此在接收端需要先进行信道估计。图7中给出了使用相干检测的接收机框图。当信道的最大多径时延小于OFDM符号的循环前缀长度时，不存在ISI。如果此时信道可以保持在一个OFDM符号内恒定不变，子信道间相互正交，不存在ICI。图7基于导频OFDM的非盲估计算法的基本过程是:在发送端适当位置插入导频，接收端利用导频恢复出导频位置的信道信息H，然后利用某种处理手段(如内插，滤波，变换等)获得所有时段的信道信息H。这里涉及到三个主要问题:1.发送端导频的选择、导频插入间隔、插入图样。2.导频位置的信

23、道估计。3.通过导频位置获取的信道信息如何较好的恢复出所有时刻信道的信息。下面首先对导频符号进行简单介绍：（1）导频符号类型：无线通信系统中，信道是时变的，为了能有效及时的对信道变化特性进行估计，可以在传输的数据符号中插入已知的信号，称作导频符号。常用的导频符号有块状导频、梳状导频、离散导频等。图8 导频符号类型(a)为块状（block-type）导频图案，即在一个OFDM符号（一个块）内的所有子载波上均插入导频。这种图案对估计较强的频率选择性衰落有很好的性能；(b)为梳状（comb-type）导频图案，即在某些子载波的所有时间上均插入导频。这种图案对估计较强的时间选择性衰落有很好的性能；(c

24、)导频在子载波上的位置按照升序排列，每次增加一个；(d)是一种智能的但是可以预先确定的图案。它是根据信道的统计特性得出的，它在每个符号周期内的误比特率（BER）的意义上来说，是最优的；(e)是一种方形的导频图案。其相邻导频在时间和频率上是等间隔的；(f)是一种带旋转的导频图案。其导频在频率上的位置随着时间的增加而增加。（2）导频间隔：导频间隔的选取是一对矛盾，既要求导频间隔尽量小，保证对信道的时变性与频率选择性有较好的追踪。又要求导频间隔尽量大，使系统开销减小。Nt1212TfdNf1212fmax Nt为导频的时间间隔，Nf为导频的频域间隔。 导频信号的分布可以看做对信道频率响应的二维采样问

25、题，即采样频率大于奈奎斯特频率，实际采样中考虑到噪声的影响，通常采用两倍的过采样。（3）导频数量：在没有噪声的情况下，OFDM系统N个子载波中任何L个作为导频使用，都可以完整的恢复出信道信息，(N是指OFDM系统中所有的子载波,L是指信道的最大长度。实际中一般导频插入数量较L大。)（4）最优的导频位置：当噪声为AWGN（加性高斯白噪声）时，当L个导频在子信道中均匀分布时，可以得到信道信息的最小均方误差(MMSE)估计。 为防止边界效应的产生，在每一个OFDM符号的第一个和最后一个子载波都应该设置导频信号，并且，在一个OFDM帧的第一个和最后一个OFDM符号里也都应该设置导频信号。 3.4.3导

26、频处的信道估计算法导频处的信道估计算法主要有，LS(最小平方)算法、 MMSE(最小均方误差)算法、MMSE的简化算法、SVD信道估计算法,基于可调节滤波器的信道估计算法等。本章将通过对上述算法的仿真比较，选出性能最优的算法，以作为导频处信道估计的算法。将这些算法利用仿真工具进行仿真，通过分析比较误码率的大小，确定最优算法。仿真工具选用MATLAB。3.5 第五章 非导频位置的信道估计本章进行非导频位置的信道估计。级联第四章导频处信道估计，比较信道估计曲线，确定信道估计方案。非导频处的信道估计算法主要有，维纳滤波算法、变换域插值、一维维纳滤波、基于DFT的插值、多项式插值算法等。3.6 第六章

27、 总结与展望最后，总结本文的工作，并展望未来的研究方向。四、研究方案的进度安排和预期达到的目标4.1 进度安排对于基于导频的OFDM系统信道估计研究的研究方案我分为三个阶段进行研究。第一个阶段，是指开题报告之前。这一阶段是选题与搜集、阅读和整理资料的过程，在这一阶段，我对“一线”资料进行阅读与分析，并抽出一个基本合理的研究提纲。我这里提到的“一线”资料，是指近几年发表的对该领域前沿技术有着深入研究的论文及相关期刊杂志。在第一个阶段中，我将阅读到的相关文献提炼出来的笔记认真进行整理，把握住论文的方向，做出我认为比较合理的一个提纲。第二个阶段，完成初稿阶段。这个阶段我需要尽可能多的查阅关于和论文提

28、纲有关的资料，并对这些问题进行论证与组织。这一阶段，我会边写作边与导师沟通，争取初稿能与2012年2月份前完成。此时期，我还会整理出一些比较成熟的章节，陆续以论文的形式向公开刊物投稿。第三个阶段，最终定稿阶段。这一阶段指2012年2月到2012年4月之间。这一阶段主要任务是对初稿进行论文的修改与再整理和最后的完善。然后，完成外文的翻译，最终，希望能够交出一份合格的硕士论文。4.2 可行性分析 信道估计是通信领域的一个研究热点，它是进行相关检测解调均衡的基础。由于OFDM多载波的出现，这为信道估计技术的应用提供了新的空间。从最早的无分集的单载波信道估计到现在的有分集的多载波信道估计，从时域或频域

29、信道估计到现在的时频域二维估计信道估计，新的信道估计算法的不断提出使信道估计的性能在不断的提高。 七、参考文献（一）外文翻译书目1 P.Moose. A technique for orthogonal frequency division multiplexing offset correctionJ.IEEE Transactions on Communications,1994,42(10) pp.2908一2914.2 F.Classen, H.Meyr. Frequency synchronization algorithms for OFDM system suitable for

30、 communication over frequency一selective fading channels. IEEE Vehicle Technology Conference,1994.3 pp.1655一1659.（二）中文书目3 佟学俭.OFDM移动通信技术原理与应用.北京：人民邮电出版社.2003.63 张海滨.正交频分复用的基本原理与关键技术.北京：国防工业出版社.2008.6.4 郭文彬等.通信原理基于Matlab的计算机仿真.北京：北京邮电大学出版社.2006.6.5 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析.北京：清华大学出版社.2008.6.8

31、美John G. Proakis等著，刘树棠译.现代通信系统（MATLAB版）（第二版）. 北京：电子工业出版社.2008.1.9 王文博等. 宽带无线通信OFDM技术.北京：人民邮电出版社.2003.11.10 樊昌信等.通信原理(第5版).北京：国防工业出版社.2001.5.（三）相关文章11陈明武,邵朝,叶荣.OFDM系统信道估计性能分析.西安：西安邮电学院.2008.912白大斌, 陈建春.基于编码反馈的OFDM信道估计方法.西安.西安电子科技大学.2010.1013张继东, 郑宝玉.基于导频的OFDM 信道估计及其研究进展.(1)上海.上海交通大学(2)南京.南京邮电学院.2003.1114赵静.周云耀.基于导频的OFDM信道估计算法研究.武汉.武汉理工大学.2010.515龚爱斐, 陈发堂.一种基于I EEE802. 16d系统的OFDM 信道估计算法.重庆.重庆邮电大学.2009.1116齐欢,孙怡.移动环境下的信道估计算法研究.大连.大连理工大学.2006.1217