OFDM信道估计研究及其带模块设计

付军峰

摘要：未来无线移动通信需要高速率和高质量的数据传输能力。OFDM技术具有高速数据传输能力和较高的频谱利用率成为下一代无线通信的关键技术，而信道估计又是决定OFDM通信质量的关键技术。正交频分复用（OFDM）系统可等效为N个独立的并行相互正交的子信道。预先估计N个子信道的频率特性，同时用估计结果来抵消各个子信道衰落的影响，最后可以在接收端获得正确的解调。它具有较高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，适用于高速率和多媒体数据传输，被广泛应用于众多领域，同时被认为是未来第四代移动通信的核心技术之一。OFDM系统的信道估计，就是从接受数据中将假定的各个信道模型的模型参数估计出来的过。

关键词：OFDM定义；信道估计；应用

1 OFDM定义

OFDM技术由MCM（Multi-Carrier Modulation，多载波调制）发展而来。OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。OFDM是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当成一种复用技术。

2 OFDM系统的信道估计算法

在无线通信系统中，多数情况下，信号传播都要经历的是多径传播。无线通信系统必然会带来多普勒扩展，会引起信号在传输过程中的频率偏移。前一个符号的时延扩展将会加载在它之后的另一个符号之上，从而引起了符号间干扰（ISI）。而频率的偏移，会引起各个子载波之间的相互干扰，即载波间干扰（ICI）。在OFDM系统中，通过添加循环前缀（CP）的方法，基本可以达到消除符号间干扰（ISI）的对系统性能的影响。循环前缀是无法消除载波间干扰的。因此我们引入导频符号，基于导频符号的信道估计可以用来抑制由载波间干扰（ICI）所引起的系统性能的恶化。传统的系统使用差分调制解调方法来处理信号，它不需要提前知道信道的特征信息。不过在使用这种信号处理方法以后，会给符号的比特数带来一定的约束，影响了系统传输的信号速率，也会带来一定的信噪比的损耗。而OFDM在无线传输系统中，采用多进制的调制方法来处理信号，在接收端恢复原始的发送信号，就需要进行相干解调。

2.1 OFDM信道估计技术概述

信道估计技术在应用中，需要选取合适的信道估计算法，这种算法要求既可以保证系统的传输质量，又可以在实际应用中便于实现。信道估计的算法是信道估计技术较为重要的环节。信道估计算法主要分为盲估计算法，非盲估计算法以及将两种方法结合起来的半盲估计算法。盲估计算法不需要传送训练序列，只是利用传输信号中的内在数字信息来估计信道中的状态信息。盲估计算法只是传送全部的有用信息，不会有其它的系统带宽的浪费。然而，这种算法在应用中需要大量的运算，复杂度较高，虽节省了带宽，但实现起来不容易，在应用中受到很大的限制，不易于实现。非忙估计算法就是利用接收已知的信息对信道参数进行估计，算法复杂度与盲估计算法比较大大的减小了，更易于实现。但它的缺点也是很明显的，由于插入了已知的导频信息，浪费了宝贵的带宽资源。然而在实际应用中，这种带宽的浪费是值得的，所以非盲估计方法得到了更大的应用。常用的非盲估计算法包括最小平方（LS）算法[4]和最小均方误差（MMSE）算法。

2.2 OFDM信道估计的作用

OFDM信號在衰落信道中传输时，其幅度会发生衰落，相位会发生偏移。在接受端需要有一个包含信道特性的参考信号，才能正确恢复出原来的发送信号。而解决参考信号问题的一种方法就是采用相干检测。相干检测首先需要对参考信号的幅度和相位进行估计，即信道估计，然后用估计得到的信道信息进行均衡，从而消除或减小信道对信号造成的失真。

3 OFDM的应用

下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求：用户速率在准静止（低速移动和固定）情况下达20Mbit/s，在高速移动情况下达2Mbit/s；量要达到第三代系统的5-10倍，传输质量相当于甚至优于第三代系统；条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统；具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量；网络的每比特成本要比第三代低。在功能方面主要有以下要求：支持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等；实现与固定网或专用网的无缝化连接；能通过中间件支持和开通多种多样的IP业务；能提供用户定义的个性化服务；按服务级别收费。与下一代移动通信系统有关的OFDM系统关键系统技术有：OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。①时域和频域同步：前面已经提及，OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与其它数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时频域同时进行同步。②信道编码和交织：为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在OFDM系统中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是，OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM方式。编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，卷积码的效果要比分组码好。

4 结语

OFDM技术的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。进入90年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。由于OFDM的频率利用率最高，又适用于FFT算法处理，近年来在多种系统得到成功的应用，在理论和技术上已经成熟。因此，3GPP/3GPP2成员多数推荐OFDM作为第四代移动通讯无线接入技术之一。目前，OFDM技术在4G LTE技术中已得到使用，是LTE三大关键技术之一，预计在5G仍然作为主要的调制方式。，系统性能的提高是以系统的复杂度为代价的。因此，在实践中，应该根据实际系统的信道环境来选择适当的方法，从而找到系统的性能和复杂度的平衡点。

参考文献

[1]黄韬，袁超伟，杨睿哲，刘鸣. MIMO相关技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]彭木根，王文博，等. 下一代宽带无线通信系统OFDM&WIMAX[M].北京：机械工业出版社，2007.

（作者单位：广州海格通信集团股份有限公司南京研究所）