張朝龍等

摘 要： 基于IEEE 802.11a/g協(xié)議，提出了一種聯(lián)合信道估計(jì)和均衡的算法，該算法采用自適應(yīng)信道估計(jì)方式在低信噪比情況下實(shí)現(xiàn)精確的信道估計(jì)，并且具有較低的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。信道均衡采用頻域內(nèi)MMSE（FD?MMSE）均衡方式，與自適應(yīng)信道估計(jì)配合在系統(tǒng)性能和計(jì)算復(fù)雜度方面取得較好折中。仿真表明該算法結(jié)構(gòu)性能滿足IEEE 802.11a/g協(xié)議規(guī)定，與同類(lèi)算法相比在低信噪比區(qū)域提高系統(tǒng)性能的前提下算法的計(jì)算復(fù)雜度也有所降低。

關(guān)鍵詞： 正交頻分復(fù)用； 信道估計(jì)； 信道均衡； IEEE 802.11a/g

中圖分類(lèi)號(hào)： TN925+.93?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0001?03

0 引 言

由于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)能有效地對(duì)抗無(wú)線通信信道中的頻率選擇性衰落，并且基于OFDM技術(shù)的通信系統(tǒng)接收機(jī)均衡可以采用頻域內(nèi)單抽頭均衡器的低復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)，已被諸多通信標(biāo)準(zhǔn)采用[1?2]，第四代移動(dòng)通信也將其作為核心技術(shù)。針對(duì)無(wú)線通信中的信道估計(jì)和均衡問(wèn)題，目前已經(jīng)有不少算法發(fā)表[3]，但是很難在算法精度和復(fù)雜度方面取得較好折中，往往具有較高精度的算法具有較大的計(jì)算復(fù)雜度[4?5]，計(jì)算復(fù)雜度較低的算法其性能卻不太理想[6]。

通信系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要從整體著眼，并不是一個(gè)模塊性能做到最優(yōu)整個(gè)系統(tǒng)性能就會(huì)最優(yōu)。本文基于已有的信道估計(jì)和信道均衡算法[3]，針對(duì)IEEE 802.11a系統(tǒng)物理層幀的特殊結(jié)構(gòu)[1]，重新設(shè)計(jì)一種聯(lián)合信道估計(jì)和信道均衡算法。該算法聯(lián)合信道估計(jì)和信道均衡。在信道估計(jì)部分采用了一種自適應(yīng)的估計(jì)過(guò)程，取得了較好效果，尤其在低信噪比情況下取得較好的性能提升。在信道均衡部分采用一種稱(chēng)為頻域內(nèi)最小均方誤差的均衡方法[7]（Frequency Domain MMSE，F(xiàn)D?MMSE）。相對(duì)于時(shí)域MMSE均衡算法，頻域的MMSE算法計(jì)算復(fù)雜度大大降低。該算法結(jié)構(gòu)充分利用了IEEE 802.11a系統(tǒng)物理層幀結(jié)構(gòu)，有效降低了系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明雖然整個(gè)系統(tǒng)的PER?SNR性能和其他算法相比，系統(tǒng)性能有所提升，算法復(fù)雜度有很大程度降低。在系統(tǒng)性能和計(jì)算復(fù)雜度方面取得較好折中。

1 系統(tǒng)平臺(tái)

為了驗(yàn)證本文提出的提出的算法設(shè)計(jì)，基于IEEE 802.11a/g協(xié)議，搭建了物理層基帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在仿真過(guò)程中，加性噪聲信道為AWGN信道，無(wú)線衰落信道采用ETSI給出的ETSI?b瑞利衰落信道[2]。其他的仿真參數(shù)，如表1所示。

2 信道估計(jì)和均衡算法描述

整個(gè)算法的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 算法結(jié)構(gòu)框圖

信道估計(jì)模塊塊由一個(gè)平滑濾波器和一個(gè)自適應(yīng)控制器組成。緊跟著FD?MMSE信道均衡?？欤饽K的估計(jì)信道有兩個(gè)來(lái)源：經(jīng)過(guò)平滑濾波器的估計(jì)信道[Hsk]或者不經(jīng)過(guò)平滑濾波器的信道[Hek]。[Hek]由IEEE 802.11a/g中物理層幀結(jié)構(gòu)中兩個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列得到。[Hak]選用[Hsk]或[Hek]由信道估計(jì)模塊的自適應(yīng)控制器（在算法結(jié)構(gòu)框圖中表示為ACM（Adaptive Channel Manager））決定。

2.1 信道估計(jì)

IEEE 802.11a/g中物理層幀的前導(dǎo)碼由10個(gè)短訓(xùn)練序列和2個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列構(gòu)成，在本算法中長(zhǎng)訓(xùn)練序列用于信道估計(jì)，假設(shè)接收端收到的長(zhǎng)訓(xùn)練序列為[YL（k）]，原始發(fā)送序列為[XL（k）]，則最簡(jiǎn)單的信道估計(jì)方式LS得出的信道響應(yīng)為：

在本文中[He（k）=HLS（k）]，[Hek]經(jīng)過(guò)平滑低通濾波器濾除頻域噪聲。平滑濾波器的響應(yīng)為：

式中[Ws]和[Rs]由仿真確定。經(jīng)過(guò)平滑濾波的信道響應(yīng)為[Hs（k）]：

經(jīng)過(guò)平滑濾波，每一個(gè)子信道上頻域相應(yīng)時(shí)相鄰[2Ws+1]個(gè)子信道的加權(quán)和。由于噪聲為零均值的加性高斯白噪，加權(quán)平均會(huì)減弱噪聲功率。接下來(lái)分析平滑低通濾波器對(duì)系統(tǒng)性能的影響。假設(shè)理想的信道響應(yīng)為[H（k）]，頻域噪聲為[WL（k）]，由濾波器引入的噪聲為[εS（k）]，則經(jīng)過(guò)平滑濾波的信道響應(yīng)可以表示為：

分析式（4）最后等號(hào)右邊部分：在低信噪比情況下，[WL（k）XL（k）]占主要部分，[εL（k）]占次要部分。此時(shí)，信道估計(jì)使用[Hs（k）]較好，因?yàn)樵谝霝V波器干擾不大的情況下，降低了系統(tǒng)高斯白噪聲功率，提高了接收機(jī)接收到的信號(hào)信噪比。在高信噪比情況下，[WL（k）XL（k）]不再占主要作用，濾波器引入的噪聲[εL（k）]開(kāi)始占主要作用，此時(shí)使用信道估計(jì)[Hs（k）]反而會(huì)使系統(tǒng)性能降低，相反使用LS估計(jì)得到的[He（k）]得到的效果要好于使用[Hs（k）]得到的效果。經(jīng)過(guò)上面分析，需要利用ACM模塊設(shè)置一個(gè)判決門(mén)限來(lái)控制信道估計(jì)輸出[Ha（k）]。當(dāng)判決函數(shù)大于門(mén)限值時(shí)，[Ha（k）]使用[Hs（k）]，當(dāng)判決門(mén)限小于門(mén)限值時(shí)，[Ha（k）]使用[He（k）]，即：

式中：[FLR]為判決函數(shù)，[Lo]為判決門(mén)限。[FLR]如式（6）所示，[Lo]需要在仿真中確定。

2.2 信道均衡

為配合前文提到的信道估計(jì)算法，本文用頻域內(nèi)最小均衡誤差信道均衡算法（Frequency Domain Minimum Mean Square Error，F(xiàn)D?MMSE）。

該算法充分利用IEEE 802.11a 物理層幀結(jié)構(gòu)和OFDM系統(tǒng)特性，在頻域內(nèi)進(jìn)行單抽頭均衡。在計(jì)算復(fù)雜度方面和LS沒(méi)有差別[8]。

下面給出FD?MMSE具體推導(dǎo)過(guò)程。假設(shè)[Y（k）]是接收端信號(hào)，[X（k）]是發(fā)送端信號(hào)，[C（k）]是補(bǔ)償因子，則目標(biāo)函數(shù)為：

對(duì)于IEEE 802.11a/g 物理層幀有兩個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列，表示為[XL1（k）]和[XL2（k）]，則發(fā)送端收到的序列表示為[YL1（k）]和[YL2（k）]，于是[C（k）]可以表示為：

在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行均衡過(guò)程中，可以利用前面得出的信道估計(jì)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化[C（k）]，優(yōu)化過(guò)程為：[C（k）=E[X（k）H（k）+W*（k）]X（k）E[X（k）H（k）+W（k）2]=E[X（k）2H*（k）]E[X（k）2·H（k）2]式（11）中的[σ2]為噪聲功率，噪聲功率的估計(jì)可以利用IEEE 802.11a/g 物理層幀的兩個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列完成，即：

可見(jiàn)噪聲的估計(jì)非常簡(jiǎn)單，只需IEEE 802.11a/g物理層幀的兩個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列的均方差即可實(shí)現(xiàn)。

3 仿真及仿真結(jié)果分析

為了分析自適應(yīng)信道估計(jì)算法和FD?MMSE均衡算法的性能，在第二部分描述的系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。采用IEEE 802.11a/g 中規(guī)定的10%PER（Packet Error Rate）標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定系統(tǒng)性能好壞。仿真過(guò)程中采用的信道為RMS（Root Mean Square）為150 ns的ETSI?B信道。自適應(yīng)信道估計(jì)中的平滑濾波器參數(shù)[Rs=0.1]，[Ws=2]，自適應(yīng)信道管理器（ACM）中判決門(mén)限[Lo=0.1]。針對(duì)IEEE 802.11a/g 支持的8種速率模式，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。PER?SNR仿真結(jié)果PER?SNR曲線見(jiàn)圖3。

在6 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為4 dB，系統(tǒng)要求為9.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為5.4 dB，文獻(xiàn)[10]要求為4.9 dB。在12 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為6.7 dB，系統(tǒng)要求為12.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為7.0 dB，文獻(xiàn)[10]要求為8.6 dB。

4 結(jié) 論

本文綜合信道估計(jì)和信道均衡算法，提出一種在性能和計(jì)算復(fù)雜度方面有較好折中的算法結(jié)構(gòu)。本算法結(jié)構(gòu)充分利用IEEE 802.11a/g物理層幀中前導(dǎo)碼，在保證系統(tǒng)整體性能在低信噪比區(qū)域有提高，高信噪比區(qū)域變化不大的前提下，系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度有了較大程度的降低。

參考文獻(xiàn)

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對(duì)于IEEE 802.11a/g 物理層幀有兩個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列，表示為[XL1（k）]和[XL2（k）]，則發(fā)送端收到的序列表示為[YL1（k）]和[YL2（k）]，于是[C（k）]可以表示為：

在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行均衡過(guò)程中，可以利用前面得出的信道估計(jì)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化[C（k）]，優(yōu)化過(guò)程為：[C（k）=E[X（k）H（k）+W*（k）]X（k）E[X（k）H（k）+W（k）2]=E[X（k）2H*（k）]E[X（k）2·H（k）2]式（11）中的[σ2]為噪聲功率，噪聲功率的估計(jì)可以利用IEEE 802.11a/g 物理層幀的兩個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列完成，即：

可見(jiàn)噪聲的估計(jì)非常簡(jiǎn)單，只需IEEE 802.11a/g物理層幀的兩個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列的均方差即可實(shí)現(xiàn)。

3 仿真及仿真結(jié)果分析

為了分析自適應(yīng)信道估計(jì)算法和FD?MMSE均衡算法的性能，在第二部分描述的系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。采用IEEE 802.11a/g 中規(guī)定的10%PER（Packet Error Rate）標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定系統(tǒng)性能好壞。仿真過(guò)程中采用的信道為RMS（Root Mean Square）為150 ns的ETSI?B信道。自適應(yīng)信道估計(jì)中的平滑濾波器參數(shù)[Rs=0.1]，[Ws=2]，自適應(yīng)信道管理器（ACM）中判決門(mén)限[Lo=0.1]。針對(duì)IEEE 802.11a/g 支持的8種速率模式，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。PER?SNR仿真結(jié)果PER?SNR曲線見(jiàn)圖3。

在6 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為4 dB，系統(tǒng)要求為9.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為5.4 dB，文獻(xiàn)[10]要求為4.9 dB。在12 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為6.7 dB，系統(tǒng)要求為12.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為7.0 dB，文獻(xiàn)[10]要求為8.6 dB。

4 結(jié) 論

本文綜合信道估計(jì)和信道均衡算法，提出一種在性能和計(jì)算復(fù)雜度方面有較好折中的算法結(jié)構(gòu)。本算法結(jié)構(gòu)充分利用IEEE 802.11a/g物理層幀中前導(dǎo)碼，在保證系統(tǒng)整體性能在低信噪比區(qū)域有提高，高信噪比區(qū)域變化不大的前提下，系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度有了較大程度的降低。

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對(duì)于IEEE 802.11a/g 物理層幀有兩個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列，表示為[XL1（k）]和[XL2（k）]，則發(fā)送端收到的序列表示為[YL1（k）]和[YL2（k）]，于是[C（k）]可以表示為：

在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行均衡過(guò)程中，可以利用前面得出的信道估計(jì)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化[C（k）]，優(yōu)化過(guò)程為：[C（k）=E[X（k）H（k）+W*（k）]X（k）E[X（k）H（k）+W（k）2]=E[X（k）2H*（k）]E[X（k）2·H（k）2]式（11）中的[σ2]為噪聲功率，噪聲功率的估計(jì)可以利用IEEE 802.11a/g 物理層幀的兩個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列完成，即：

可見(jiàn)噪聲的估計(jì)非常簡(jiǎn)單，只需IEEE 802.11a/g物理層幀的兩個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列的均方差即可實(shí)現(xiàn)。

3 仿真及仿真結(jié)果分析

為了分析自適應(yīng)信道估計(jì)算法和FD?MMSE均衡算法的性能，在第二部分描述的系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。采用IEEE 802.11a/g 中規(guī)定的10%PER（Packet Error Rate）標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定系統(tǒng)性能好壞。仿真過(guò)程中采用的信道為RMS（Root Mean Square）為150 ns的ETSI?B信道。自適應(yīng)信道估計(jì)中的平滑濾波器參數(shù)[Rs=0.1]，[Ws=2]，自適應(yīng)信道管理器（ACM）中判決門(mén)限[Lo=0.1]。針對(duì)IEEE 802.11a/g 支持的8種速率模式，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。PER?SNR仿真結(jié)果PER?SNR曲線見(jiàn)圖3。

在6 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為4 dB，系統(tǒng)要求為9.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為5.4 dB，文獻(xiàn)[10]要求為4.9 dB。在12 Mb/s速率模式下，10%PER要求SNR為6.7 dB，系統(tǒng)要求為12.7 dB，文獻(xiàn)[9]要求為7.0 dB，文獻(xiàn)[10]要求為8.6 dB。

4 結(jié) 論

本文綜合信道估計(jì)和信道均衡算法，提出一種在性能和計(jì)算復(fù)雜度方面有較好折中的算法結(jié)構(gòu)。本算法結(jié)構(gòu)充分利用IEEE 802.11a/g物理層幀中前導(dǎo)碼，在保證系統(tǒng)整體性能在低信噪比區(qū)域有提高，高信噪比區(qū)域變化不大的前提下，系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度有了較大程度的降低。

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