OFDM水声通信信道估计技术研究
2009-09-14
作者：周 锋1， 陆洪武2， 姜俊奇3
摘 要： 水声信道是一种极其复杂多变的时—空—频变信道，其信道窄、强多径干扰、信号起伏衰落严重，一直是水下信息可靠高速传输的主要障碍。正交频分复用(OFDM)是近年来数字通信中流行的一种并行传输新技术，其核心思想是将整个可用频带分割成多个正交子信道，将待传输的高速串行码流并行地调制在这些子信道载波上。主要研究利用三种不同的导频图案对OFDM水声通信信道进行估计，并通过仿真的方式来分析不同导频图案下信道估计的性能。
关键词： 正交频分复用； 信道估计； 导频
水声信道是一个典型的时变多径衰落信道，高速可靠的水声通信受到多径反射、多普勒频率偏移和有限带宽等多种不利条件的严重制约。为了解决这些问题，人们将无线电领域的多载波高速传输技术成功地应用于水声通信，并取得了一些令人鼓舞的结果。正交频分复用（OFDM）技术作为多载波调制技术的一种，是当前研究的一个热点。它利用多个子载波传输数据，可以有效利用带宽。另外，由于多载波之间的正交性，在保护时间的辅助下可以很大程度地减小载波间干扰（ICI）和符号间干扰(ISI)，实现高速可靠的数据传输。
1 OFDM水声通信系统模型
图1所示的是一个比较完整的OFDM水声通信系统框图。上半部分是发射部分，读入图像数据，以此作为比特信息。首先将输入的信息进行扰码、编码，接着进行交织处理，经过串并变换后，做QPSK的星座点映射，再将得到的符号分配到各个子载波上去，然后插入导频信息，经过IFFT模块后进行并串变换得到时域的OFDM符号，添加循环前缀并获得完整的OFDM时域数字信号，最后通过D/A转换得到模拟信号，通过换能器传输到水声信道中。以上完成了发送过程。下半部分是接收部分，该部分的处理流程与发送端是个相反的过程。首先通过换能器从水声信道中获取水声信号，然后经过一个与发送部分相反的处理过程，最后得到解调输出的结果。
2 不同导频图案下OFDM信道估计
根据所利用的信道估计资源不同，OFDM信道估计[1]主要分为基于判决的信道估计、导频辅助PSAM(Pilot Symbol Assisted Modulation)信道估计、盲或半盲信道估计三大类。目前使用较多的是PSAM信道估计，它所利用的数学原理比较成熟，易于工程实现。
2.1导频插入方案
PSAM信道估计主要依靠插入在数据流当中的导频信号来完成对信道响应的估计，所以如何选择导频信号的设置方式对于信道估计（甚至整个系统）的性能将会有很大的影响。这其中包括导频插入的密度、导频图案等。将导频插入数据流的方法各有不同，不同的导频图案在数据效率相同的情况下，即使采用相同的算法仍有不同的表现，所以有必要对不同的导频图案进行比较，以选用一种比较好的导频图案，在提高有效数据率的同时又能保持较好的信道估计性能。
目前，在基于导频符号的信道估计算法中，导频插入方案可以分为三大类[2]：块状导频分布、梳状导频分布和梅花状导频分布。块状导频分布方案就是将导频信号在某些OFDM符号的所有子载波上发送，导频信号可以单独构成一个OFDM符号，也可称为导频符号。梳状导频和梅花状导频只在部分子载波上发送导频信号，导频信号与数据信号共同构成一个OFDM符号，两者稍有差别，梅花状导频图案的插入方法中，每个OFDM符号的导频插入位置相对前一个OFDM符号作相对平移，只有相隔一定距离的OFDM符号的导频插入位置才是相同的，而梳状导频图案的插入方法比较简单，每个OFDM符号的导频插入方法都是相同的，形成一个梳状。三种插入方案如图2所示。
2.2 最小平方（LS）信道估计
可见，LS估计只需要知道发送信号X和接收信号Y，对于待定的参数H、观测噪声，以及接收信号Y的其他统计特征，都不需要知道它们的先验信息，因此LS信道估计算法的最大优点是结构简单，计算量小，仅通过在各载波上进行一次除法运算即可得到导频位置子载波的信道特征。
2.3 基于线性内插的完整信道响应估计
对于采用梅花状导频图案的信道估计，首先在时间方向上对不同的导频信号估计出来的信道响应值进行内插；第二步在频率方向上再次进行线性内插，这样最后可以得到完整的信道响应[4,5]。而对于采用梳状导频图案的信道估计来说，由于每个OFDM符号的导频插入方法都相同，所以就不需要在时间方向上进行内插，只需要在频率方向上对每个符号进行线性内插，这样就可以得到完整的信道响应。
线性插值算法是通过对一个OFDM符号中相邻的导频子信道响应的估计值
进行线性插值，来获得两个导频信道之间的数据子信道的信道响应估计值的方法，从而可以得到整个信道的传输函数
线性内插公式为:
3 仿真结果分析
下面通过仿真的方式来分析不同导频图案下信道估计的性能。
仿真过程中导频所在位置的信道响应通过最小平方(LS)算法得到，而其他位置的信道响应通过简单的线性内插来得到。
因为信道编码的增益是众所周知的，所以本文给出的误码率曲线均没有利用信道编码和交织。仿真参数如表1所示。
图3、图4是在信道1条件下的仿真结果，选用的多径信道是利用水声信道仿真软件得到的，共有14条主要路径到达，选取其中的10条多径，最大时延约为45 ms，最大多径衰减为20.67 dB。图5是多径信道模型1的不同导频图案的性能比较(SNR=12 dB)。
图6、图7是在信道2条件下的仿真结果，共有36条多径，最大多径时延为7.2 ms，最大多径衰减为88.12 dB。
由图8多径信道模型2的不同导频图案的性能比较(SNR=12 dB)和仿真结果可以看出，导频块状分布的OFDM系统中，导频信号在频域是连续的，因此这种信道探测方式对信道的多径扩散适应性较好。但是，导频信号在时间轴上是离散的，通过导频信号只能得到各子信道的信道传输函数离散时间上的抽样值。此种导频分布方式适用于信道变化相对较慢的系统中。在导频数量相同的情况下，其性能由信道变化速度即相干时间决定。
导频梳状分布的OFDM系统中，对导频子信道而言，导频信号在时域是连续的，因此这种信道探测方式对信道的变化速度适应性较好，可应用于信道变化较快的场合。但是对OFDM系统而言导频子信道在频域是离散的，由于导频信号只能直接得到导频子信道的传输函数，它是总的信道传输函数在离散频率点上的抽样值，因此，此种导频分布方式适用于信道变化较快而多径时延相对较小的系统。在导频数量相同的情况下，其对信道估计的性能由信道的多径扩散即相干带宽决定。
由于梅花状导频在所有的子载波有导频，在所有的OFDM符号中也都有导频，因此导频既在时间上复用也在频率上复用，所以这种导频既可以追踪快速变化的信道，也可以在较复杂的多途情况下使用，有利于提高信道估计的性能。
水声信道是一个典型的时变多径衰落信道，由该信道传输后的接收信号，可视为经由不同路径到达的、具有不同时延和幅度的多个分量的叠加。信道估计是通信传输领域的关键技术，直接影响通信传输系统的性能。不同导频图案的信道估计性能也不同，块状导频适用于信道变化相对较慢的系统中；梳状导频适用于信道变化较快而多径时延相对较小的系统；梅花状导频既可以追踪快速变化的信道，也可以在较复杂的多径情况下使用，但估计算法比较复杂。因此应根据实际情况选择合适的导频图案，以达到最好的信道估计的性能。
参考文献
[1] BEEK J, EDFORS O, SANDELL M, et. al. On channel estimation in OFDM systems.IEEE VTC’95.July 1995:
815-819.
[2] EDFORS O, SANDELL M, BEEK J, et al.OFDM channel estimation by singular value decomposition. IEEE VTC’96. May 1996:923-927.
[3] 汪裕民.OFDM关键技术与应用.北京：机械工业出版社,2006:99-107.
[4] MOON J K, CHOI S I. Performance of channel estimation methods for OFDM systems in a multipath fading channels. IEEE Transaction on Consumer Electronics, February 2000,46(1):161-170.
[5] 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,2006:53-77.
[6] MIYOSHI K. Preliminary design of OFDM and CDMA acoustic communication system.IEEE Oceans’2001:2216-2219.