文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)01-0098-04
正交頻分復用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術[1]。它具有極好的抗多徑能力和極高的頻譜利用率，因此被廣泛應用于數(shù)字寬帶通信領域。多天線技術MIMO(Multiple Input and Multiple Output)充分利用空間資源, 在收發(fā)端實現(xiàn)多發(fā)多收, 在不增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下, 能有效提高信道容量。兩種技術的聯(lián)合——MIMO-OFDM 技術作為下一代無線通信系統(tǒng)的核心技術近年來引起了眾多相關研究者的研究興趣。
MIMO-OFDM系統(tǒng)中,為了在接收端準確地恢復發(fā)送端所發(fā)送的原始信號，需要得到有效的信道信息,因此信道估計是MIMO-OFDM系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)。目前基于空時域?qū)ьl結(jié)構的信道估計方法[2-4]是研究的主要方向。為了保證最小二乘LS(Least Square)信道估計的均方誤差MSE(Mean Square Error)最小，需要頻帶中每個導頻的能量均相等，每根發(fā)射天線中的導頻等間隔放置，而且不同發(fā)射天線中的導頻序列相互位置正交[4]，即在其中一根發(fā)射天線傳輸導頻時，其他發(fā)射天線導頻位置的子載波不被使用?？梢?，基于這種導頻結(jié)構的信道估計需要信道狀態(tài)至少在兩個OFDM符號的傳輸過程中保持不變。而在參考文獻[5]中，提出了一種基于空頻域的導頻結(jié)構，相對于基于空時域?qū)ьl結(jié)構而言，這種導頻結(jié)構的主要優(yōu)勢在于，不同發(fā)射天線可以同時傳輸導頻信息，更重要的是，在一個OFDM符號內(nèi)便可以進行信道估計。結(jié)果表明，在相同的仿真條件下，基于空頻域?qū)ьl信道估計的MIMO-OFDM系統(tǒng)在性能上有了明顯改善。
為了在基于空頻域?qū)ьl結(jié)構的MIMO-OFDM系統(tǒng)中，使LS信道估計得到最小MSE，本文研究了此導頻結(jié)構所允許的極限保護頻帶寬度以及最佳初始導頻位置[6]。通過設置OFDM的保護頻帶寬度和調(diào)整初始導頻位置來避免部分導頻信號落入保護頻帶中，從而避免了傳輸數(shù)據(jù)受到發(fā)送端低通濾波器的失真影響，改善了系統(tǒng)性能。
1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型
如圖1所示MIMO-OFDM系統(tǒng)中有NT根發(fā)送天線和NR根接收天線。數(shù)據(jù)流經(jīng)過空時編碼和空時復用發(fā)送到各個天線。每根天線上的頻域數(shù)據(jù)經(jīng)過K點IFFT變換為時域數(shù)據(jù)加入循環(huán)前綴發(fā)送到信道中。在接收端去除循環(huán)前綴并對時域采樣值進行FFT變換，同時將導頻和數(shù)據(jù)符號分離出來，導頻符號用做信道估計，得到的信道估計矩陣可以幫助MIMO解碼器更為精確地解調(diào)出OFDM符號。
假設接收天線與發(fā)射天線之間的信道都是相互獨立的，則第j根接收天線上第n個OFDM符號的第k個子載波上的接收信號可表示為：
2 最優(yōu)空頻導頻結(jié)構設計與信道估計
參考文獻[5]提出了一種基于空頻域的導頻結(jié)構（導頻結(jié)構如圖2所示），在相同的仿真條件下，相對于基于空時域的導頻結(jié)構而言，此種新穎的導頻結(jié)構在MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道估計問題上有著明顯的優(yōu)勢：(1)在一個OFDM符號傳送時間內(nèi)就能夠進行信道估計，而基于空時導頻結(jié)構的信道估計至少需要完成兩個OFDM符號的傳輸才能進行。因此這種導頻結(jié)構更能勝任快衰落信道的信道估計。(2)由參考文獻[5]的仿真結(jié)果圖可知，基于空頻域?qū)ьl信道估計的MIMO-OFDM系統(tǒng)在性能上相對于基于空時域?qū)ьl信道估計的MIMO-OFDM系統(tǒng)有著明顯的改善。
本文以一個2發(fā)2收的MIMO-OFDM系統(tǒng)為例，設置導頻值為：
圖3顯示了OFDM符號的子載波與保護頻帶,當導頻子載波不落入保護頻帶之內(nèi)時，MIMO-OFDM系統(tǒng)即能避免傳輸信號受到發(fā)送端低通濾波器的失真影響，也能保證XXT為對角矩陣，從而進一步保證了最小二乘信道估計的均方誤差最小。相反，導頻子載波落入保護頻帶內(nèi)，由于濾波器的影響，XXT將變成非對角矩陣，此時系統(tǒng)將無法得到最佳性能。
針對基于空頻域的導頻結(jié)構，計算OFDM系統(tǒng)存在的極限保護頻帶寬度。
同時，提出一種基于空時域的導頻結(jié)構（如圖4）作為參照，分別觀察兩種導頻結(jié)構，在保護頻帶大于極限保護頻帶寬度和小于等于極限保護頻帶寬度兩種情況下的性能。
根據(jù)基于空時域的導頻結(jié)構，可以設其導頻序列的初始點為do，導頻序列的終點為dp-1=do+（P-1）V。
為了使初始導頻和終點導頻避開保護頻帶，do、dp-1同樣需滿足式(6)的條件，再結(jié)合dp-1=do+（P-1）V，可以得到do的取值范圍是:
3 仿真結(jié)果與結(jié)論
基于以上分析，建立了MIMO-OFDM系統(tǒng)的仿真平臺。此系統(tǒng)采用2根發(fā)射天線和2根接收天線，512個子載波，信道采用多徑瑞利信道，信道長度L=8，多普勒頻移fd=50，系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制和STBC編碼。由式(9)和式(12)可以計算出兩種導頻結(jié)構的極限保護頻帶寬度都為31。
圖5給出了保護頻帶寬度都為31，初始導頻位置都為32時,基于空時域?qū)ьl結(jié)構的MIMO-OFDM系統(tǒng)和基于空頻域?qū)ьl結(jié)構的MIMO-OFDM系統(tǒng)的性能曲線。從仿真結(jié)果圖可得,采用空頻域?qū)ьl結(jié)構的MIMO-OFDM系統(tǒng)在性能上有著明顯的改善。
圖6、圖7分別給出了當保護頻帶分別為31和60時，基于空頻域?qū)ьl結(jié)構的MIMO-OFDM系統(tǒng)和基于空時域?qū)ьl結(jié)構的MIMO-OFDM系統(tǒng)的性能曲線。從仿真結(jié)果得知,當保護頻帶A為60,大于極限保護頻帶寬度，初始導頻位置為61時,最終的導頻位置落入保護頻帶內(nèi)，導致系統(tǒng)誤差增大。當保護頻帶A為31,等于極限保護頻帶寬度，初始導頻位置為32時，防止了導頻子載波落入保護頻帶內(nèi),保證了LS信道估計的MSE最小，性能達到最優(yōu)。
圖8顯示了采用空頻域?qū)ьl結(jié)構的MIMO-OFDM系統(tǒng)的均方誤差（MSE）。
本文進一步證實了采用空頻域?qū)ьl結(jié)構的MIMO-OFDM系統(tǒng)在性能上相對于基于空時域?qū)ьl結(jié)構的MIMO-OFDM系統(tǒng)有著明顯的改善。
在基于空頻域?qū)ьl信道估計方法的MIMO-OFDM系統(tǒng)中，保護頻帶寬度小于或等于極限保護頻帶寬度時，選擇最佳的初始導頻位置，可以保證LS信道估計的MSE最小，從而能得到系統(tǒng)的最優(yōu)性能。
參考文獻
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[2] 胡蝶,何良華.一種改進的MIMO-OFDM系統(tǒng)導頻設計方案[J].電子與信息學報, 2009, 31(4).870-873.
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[6] 王晗, 汪晉寬. MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計中的最優(yōu)導頻設計[J].電波科學學報,2008,23(3):501-505.