UWB系統復合導頻信道估計方法

王麗娟，王 丹，普杰信

（河南科技大學，河南洛陽 471003）

UWB系統復合導頻信道估計方法

王麗娟，王 丹，普杰信

（河南科技大學，河南洛陽 471003）

隱藏系統具有估計精度差的缺陷，輔助導頻具有占用帶寬多的缺陷，針對這種情況提出了復合導頻信道估計方法，在隱藏導頻中插入極少量的輔助導頻，由于UWB信道是慢變信道，所以隱藏導頻可以借鑒輔助導頻的信道估計，把輔助導頻和隱藏導頻的信道估計疊加成新的信道估計。仿真結果表明，復合導頻信道估計繼承了兩種導頻信道估計的優點，提高了信道估計精度，減少了帶寬占用率。

超寬帶;正交頻分復用;隱藏導頻;復合導頻;信道估計

超寬帶系統［1－3］由于具有極大的通信容量和極低的功耗等優勢成為近些年高速率通信的熱點。超寬帶UWB系統目前有兩種技術方案:多頻帶正交頻分復用（MBOFDM）和沖激無線電（Impulse Radio，IR－UWB）技術。其中OFDM技術方案簡單、靈活可靠，因而得到58%的支持率。

在MB－OFDM系統中經常使用基于導頻的信道估計方法［4－6］，按導頻方式可分為輔助導頻信道估計和隱藏導頻信道估計。其中輔助導頻信道估計具有實現簡單、性能優良、穩定可靠等優點，但是輔助導頻占用信道帶寬且易受噪聲干擾。隱藏導頻［7－8］具有頻帶利用率高、抗噪聲效果好等優點，然而隱藏導頻的信道精度卻很差。輔助導頻因具有較高的估計精度，所以得到了廣泛的使用。實際上隱藏導頻有較強的應用前景，眾多的人士開始注意到隱藏導頻并投入到對隱藏導頻的研究?；陔[藏導頻的估計算法精度差是多方面的，文獻［9］提出了功率因子以減小導頻和數據的互擾;文獻［10］指出在時域疊加導頻提高信道估計精度。以上算法都提高了信道估計精度，但是收效甚微，單一的改進輔助導頻和單一的改進隱藏導頻都很難收到較好的效果。

本文提出復合導頻方法，在隱藏導頻中插入極少量的輔助導頻，隱藏導頻的信道估計按比例疊加輔助導頻信道估計成為最終信道估計。由于輔助導頻數據極少，發揮出了隱藏導頻不占用帶寬優勢，隱藏導頻借鑒了輔助導頻的信道估計，故系統的誤碼率有了明顯下降，復合導頻繼承了兩種導頻方式的優點，因此有較廣泛的應用前景。

1UWB系統模型

復合導頻的插入及疊加方式如圖1所示，每個數據塊中包含1個輔助導頻及多個隱藏導頻，隱藏導頻以塊狀疊加到數據上。其中每個隱藏導頻塊都可以得到導頻塊處的信道估計，由于隱藏導頻自身原因存在導頻和數據互擾，所以其信道估計精度較差。由于UWB信道是慢變信道，所以隱藏導頻的信道估計可以借鑒這個數據塊中的輔助導頻信道估計來糾正自己的偏差。

發送數據經擾碼、卷積編碼、交織后進行數字調制，工程應用中因QPSK調制復雜度低、誤碼率低使用廣泛。調制后的數據插入輔助導頻同時疊加隱藏導頻，加入導頻的數據發送和接收過程如圖2所示。

數據X經過IFFT變換，加入循環前綴CP通過信道。CP大于信道長度時可以有效地消除符號間串擾（Inter Symbol Interference，ISI），同時在接收端去除CP，因此可以忽略CP，接收數據Y可表示為

式中:IFFT表示快速傅里葉反變換;FFT表示快速傅里葉變換;?表示卷積;h表示信道的時域沖激響應;v表示時域加性高斯白噪聲。式（1）化簡后可得

式中:H是h的快速傅里葉變換;V是v的快速傅里葉變換。

2 信道估計

2.1 輔助導頻和隱藏導頻的信道估計

輔助導頻系統是把導頻以數據的形式送入信道，因此把接收導頻P'、發送導頻P帶入到式（2）可得

將式（3）代入LS算法［11］可得輔助導頻估計結果為

隱藏導頻系統是把導頻疊加到數據上同時送入信道，接收端對接收數據做均值處理，數據和噪聲的統計均值為0，隱藏導頻的接收導頻可表示為

將式（5）代入LS算法，可得隱藏導頻信道估計為

2.2 復合導頻信道估計

輔助導頻和隱藏導頻使用的是相同的導頻符號P完成信道估計。復合導頻按比例吸收輔助導頻和隱藏導頻的信道估計，其中復合導頻以隱藏導頻為主，k表示隱藏導頻信道估計成分的比例，輔助導頻信道估計占的比例為1－k，兩種導頻信道估計最終組合成完整的新信道估計。每個數據幀中只有一組輔助導頻信道估計和多組隱藏導頻信道估計，由于UWB的慢變性和輔助導頻所占比例較小，所以可以多個隱藏導頻共用一組輔助導頻以減小輔助導頻占用帶寬。復合導頻信道估計可表示為

式（7）展開后得

通過調整k控制各種干擾的幅度，使總的干擾疊加和最小就能達到提高信道估計的目的。

2.3 各種干擾特性和比例因子

圖3 各種干擾的特性

由圖3可知，E（V）和V隨著信噪比的增大而減小，而且E（V）遠小于V和E（S），所以主要考慮的干擾是E（S）和V。在低信噪比區可以使用較大的k值減小噪聲的干擾，在高信噪比區用較小k值抵抗數據E（S）的干擾。

最簡單實用的方法是使用最能照顧各信噪比情況的比例因子k，比例因子的確定將在仿真中根據系統的實際特性進行確定。

3 實驗與仿真

為了檢驗復合導頻的特性，這里做了仿真，仿真環境如表1所示。

表1 系統仿真環境

3.1 LS算法比例因子k與信道估計

為了觀察不同數值比例因子對系統的影響，做了比例因子與誤碼率特性的仿真，如圖4所示。

圖4 比例因子與誤碼率特性

在低信噪比、k的取值較大時，誤碼率偏低;k取較大值時，信道估計更貼近于隱藏導頻信道估計，有較好的抗噪聲能力。隨著信噪比增大，隱藏導頻信道估計精度差的缺陷開始顯露出來。k取值在0.6附近時誤碼率最低，此時噪聲小，輔助導頻的信道估計精度更高，所以出現信道估計向輔助導頻方向靠攏，即k值變小。根據圖4顯示的k與系統誤碼率的特性可以找出一個能夠照顧各信噪比情況的最優k值，當k=0.6時系統綜合性能最好，即為折中比例因子k。

3.2 LS算法折中比例因子k的系統特性

圖5是折中比例因子k在LS算法下信道估計的均方誤差特性圖。復合導頻的均方誤差特性介于輔助導頻和隱藏導頻之間，復合導頻繼承了隱藏導頻較好的抗噪聲特性，同時兼有輔助導頻高信噪比精度高的特性。

圖5 折中比例因子信道估計均方誤差特性

比例因子取折中值0.6時，LS算法系統的誤碼率特性如圖6所示。復合導頻由于吸收了輔助導頻的信道估計，其誤碼率在高信噪比區域有了大幅的下降。

圖6 折中比例因子的誤碼率特性

通過以上的仿真和分析可知，復合導頻信道估計精度相對于隱藏導頻有很大的提升，同時發送效率遠高于輔助導頻，復合導頻吸收了兩種導頻的優勢。

4 小結

本文提出了把隱藏導頻的信道估計和輔助導頻的信道估計按比例組合生成新信道估計的復合導頻算法，復合導頻信道估計繼承了兩種導頻信道估計的優點。相對于隱藏導頻，復合導頻估計精度有顯著的提升，在帶寬占用率上相對于輔助導頻有著明顯的優勢。在基于導頻的信道估計系統中，復合導頻是較理想的信道估計方案。

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［1］王樹平.超寬帶系統的調制技術［J］.電視技術，2007，31（3）:96－99.

［2］耿鵬，鄒傳云，游路路.超寬帶無線通信解決方案的分析與比較［J］.電視技術，2006，30（2）:58－60.

［3］QIU R C，SCHOLTZ R A，SHEN X.Guest editorial special section on ultra wideband wireless communications—a new horizon［J］.IEEE Trans.Vehicular Technology，2005，54（5）:1525－1527.

［4］張先玉，劉郁林，張建新.基于隱藏導頻的多頻帶正交頻分復用超寬帶稀疏信道估計［J］.上海交通大學學報，2010，44（9）:1261－1265.

［5］寧小玲，劉忠，劉志坤.稀疏水聲OFDM系統迭代LS自適應信道估計［J］.電子科技大學學報，2011，40（5）:641－645.

［6］石磊，郭寶龍，李小平，等.一種低復雜度LMMSE信道估計算法［J］.電子科技大學學報:自然科學版，2012，39（2）:24－28.

［7］TUGNAIT J K，MENG X H.On superimposed training for channel estimation performance analysis，training power allocation and frame synchronization［J］.IEEE Trans.Signal Processing，2006，54（2）:752－765.

［8］JAGANNATHAM S A K，RAO B D.Superimposed pilot vs.conventional pilot for channel estimation［C］//Proc.40th Asilomar Conference on Signals，Systems and Computers，2006.［S.l.］:IEEE Press，2006:767－771.

［9］OROZCO－LUGO A G，LARA M M，MCLERNON D C.Channel estimation using implicit training［J］.IEEE Trans.Signal Processing，2004，52（1）:240－254.

［10］楊碩，張海濱，宋文濤，等.基于隱藏導頻的正交頻分復用信道估計［J］.上海交通大學學報，2006，40（9）:1483－1486.

［11］VAN DE BEEK J－J，EDFORS O，SANDELL M，et al.On channel estimation in OFDM systems［C］//Proc.IEEE 45th Vehicular Technology Conference，1996.［S.l.］:IEEE Press，1996:923－927.

Composite Pilot Channel Estimation in UWB Systems

WANG Lijuan，WANG Dan，PU Jiexin

（Henan University of Science and Technology，Henan Luoyang 471003，China）

Superimposed system has the defect of estimating accuracy difference，and auxiliary pilot has the defect of occupancy excessive bandwidth.Aiming at this situation，the composite pilot channel estimation method is put forward.The little composite pilot is inserted in the superimposed pilot.Due to the UWB channel is slow－varying channel，the superimposed pilot can reference the channel estimation of auxiliary pilot.The channel estimation of auxiliary pilot and superimposed pilot are stacked into new channel estimation.The simulation results show the auxiliary pilot channel estimation inherits the advantage of pilot channel estimation，and the channel estimation accuracy is improved，and the occupancy bandwidth is decreased.

UWB;OFDM;superimposed pilot;composite pilot;channel estimation

TN911.23

A

【本文獻信息】王麗娟，王丹，普杰信.UWB系統復合導頻信道估計方法［J］.電視技術，2013，37（3）.

國家自然科學基金項目（61101167）;航空科學基金項目（20110142002）;河南科技大學博士科研啟動基金資助項目（09001409）;河南科技大學青年科學基金資助項目（2010QN0019）;河南省科技攻關計劃項目（112102210431）

王麗娟，碩士生，主研通信信號處理;

王 丹，博士，副教授，主研通信信號處理、計算機檢測技術和多學科協同仿真與建模;

普杰信，博士，教授，主研模式識別與圖像處理。

責任編輯:薛 京

2012－07－10