WiMAX系統中導頻和信道估計

Abstract:Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) technique is adopted in WiMAX system, and the different pilot patterns are defined for both uplink and downlink channels. Pilot pattern should be changed, especially when Multiple Input Multiple Output (MIMO) technique is combined with OFDMA, in order to support multiple antennas. There are five kinds of pilot patterns in WiMAX-MIMO-OFDMA system, namely, Downlink-Partially Used Sub-Channel (DL-PUSC), Downlink-Fully Used Sub-Channel (DL-FUSC), Downlink-Optional Fully Used Sub-Channel (DL-OFUSC), Uplink-Partially Used Sub-Channel (UL-PUSC) and Uplink-Optional Partially Used Sub-Channel (UL-OPUSC). Moreover, by analyzing the simulation results of time domain Least Square (LS), frequency domain LS, and Fast Fourier Transform (FFT)-based channel estimation algorithms, the best pilot pattern can be found.Keywords:WiMAX;pilot;channel estimation; OFDM; MIMO

　　WiMAX是以IEEE 802.16系列標準為基礎的寬帶無線接入技術，支持固定、游牧、便攜和全移動4種應用場景。近年來，寬帶無線技術發展迅猛，WiMAX逐漸成為無線通信業界關注的焦點。IEEE 802.16標準主要包括固定寬帶無線接入空中接口標準802.16d和移動寬帶無線接入空中接口標準802.16e。其中，802.16e憑借其移動性的支持，高速數據業務的提供和較低的成本，被業界視為能與3G相抗衡的下一代無線寬帶技術。由于正交頻分多址接入(OFDMA)技術具有抗多徑衰落能力強，頻譜利用率高等特點，802.16e和802.16d的物理層核心技術都采用了OFDMA[1-2]。
信道估計是OFDMA系統應用研究的關鍵技術，其準確程度極大地影響著系統性能，尤其是結合多輸入多輸出(MIMO)高階調制時。到目前為止，針對單輸入單輸出(SISO)-OFDM系統的信道估計方法甚多，有基于最小平方(LS)的頻域信道估計，有基于傅立葉變換(FFT)的信道估計，有基于LS準則和最小均方誤差(MMSE)準則的時域信道估計，有盲信道估計等。這些方法各有利弊，在不同系統中的性能差異較大。
OFDMA系統中，上下行鏈路工作原理差別很大，下行鏈路是一個廣播信道，可遵循正交頻分復用(OFDM)系統中信道估計方法的思想，而對于上行鏈路，各用戶與基站的通信是隨機的，每個用戶對應自己的多徑衰落信道，信道估計需分別進行。當OFDMA系統結合MIMO技術時，接收信號是多根發射天線的信號疊加，不同天線之間的信號存在干擾，信道估計的準確程度極大地影響著系統性能，因此MIMO系統中對信道估計的準確程度比一般SISO系統要求更高。另外，802.16d和802.16e標準對上下行鏈路定義了不同的子信道分配方案，以適應不同的情形。在各種分配方案中，導頻開銷和導頻圖案有所不同，因此所采用的信道估計方法也不同。綜上所述，研究WiMAX-MIMO-OFDMA系統中，不同導頻模式下的信道估計極具意義。
1 WiMAX-MIMO-OFDMA系統模型
WiMAX-MIMO-OFDMA系統的發射接收流程與OFDMA子信道分配方法、MIMO技術及其編碼矩陣等有關，其框架結構較多，具體見文獻[1]。發射端大概包括編碼、交織、調制、子信道化、MIMO編碼、插導頻、快速傅里葉反變換(IFFT)操作、濾波、數模(DA)變換、無線射頻(RF)調制等流程，其先后順序在不同情況下有所變化。接收端與發射端互為逆過程。
OFDMA子信道分配分為完全使用子信道(FUSC)和部分使用子信道(PUSC)。FUSC是先選擇導頻子載波，再將剩下的子載波分成子信道進行數據傳輸；而PUSC是先把可用子載波分成子信道，再在每個子信道中選擇導頻子載波。
MIMO技術主要包括發射分集和空間復用[3]。WiMAX系統中支持的有空時分組碼(STBC)，空頻分組碼(SFBC)，跳頻分集碼(FHDC)，垂直分層空時碼(V-BLAST)和水平分層空時碼(H-BLAST)[1]。下行鏈路中支持2根、3根和4根發射天線，上行鏈路中僅支持2根發射天線[1]。對于不同發射天線數，有A、B、C這3種編碼矩陣[1-2]。
WiMAX系統中的子載波分為3種：數據子載波，用于傳輸數據；導頻子載波，用于各種估計或同步；空子載波，包括保護子載波和直流(DC)子載波，不用于傳輸[4]。
802.16e的目標是能夠向下兼容802.16d，其物理層實現與802.16d基本一致，主要差別在于對OFDMA進行了擴展。802.16d中，僅規定了2 048點OFDMA。而802.16e中，可以支持2 048點、1 024點、512點和128點，以適應不同地理區域從20 MHz到1.25 MHz的信道帶寬差異。本文的信道估計是針對802.16e標準進行研究的，其同樣適用于802.16d。
2 WiMAX-MIMO-OFDMA系統導頻圖案
OFDMA系統中下行(DL)子信道分配方法包括DL-PUSC、DL-FUSC、下行可選完全使用子信道(DL-OFUSC)、支持自適應調制編碼(AMC)子信道的可選子信道分配等，上行(UL)子信道分配方法包括UL-PUSC、上行可選部分使用子信道(UL-OPUSC)、支持AMC子信道的可選子信道分配[1]。本文重點介紹其中5種。
2.1DL-PUSC
首先將可用子載波(數據子載波和導頻子載波)分成基本簇，一個子信道包含兩個基本簇，一個基本簇包含兩個時間符號，占用每個符號中的14個子載波，如圖1所示。

4 結束語
本文仿真比較了WiMAX-MIMO-OFDMA系統中的信道估計，得出了每種導頻模式下的最優信道估計：
(1)下行PUSC：導頻分配較多時，時域LS信道估計最優，否則采用頻域LS估計和Nearest插值；
(2)下行FUSC：時域LS估計最優，其它方案性能較差；
(3)下行可選FUSC：時域LS估計最優，其次可選改進的FFT信道估計；
(4)上行 PUSC：用戶分配到較多子信道時，時域LS信道估計最優，否則采用頻域LS估計和Nearest插值；
(5)上行可選PUSC：用戶分配到較多子信道時，時域LS估計最優，否則采用頻域LS估計和Linear插值。另一方面，考慮到目前的硬件水平，時域LS估計較難實現，可采用次優的簡單算法。
5 參考文獻
[1]IEEEStd802.16e-2005. IEEE standard for local and metropolitan area networks, Part 16: Air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems amendment 2: Physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operation in licensed bands and corrigendum 1[S]. 2006.
[2]IEEEStd802.16-2004. IEEE standard for local and metropolitan area networks, Part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems[S]. 2004.
[3]王文博,鄭侃,等. 寬帶無線通信OFDM技術[M]. 北京:人民郵電出版社，2003.
[4]YAGHOOBIH.Scalable OFDMA physical layer in IEEE 802.16 wireless MAN [J]. Intel Technology Journal, 2004, 8 (3): 201-212.
[5]GSM05.05version 5.0.0[S]. 1996.
作者簡介：
劉光毅，博士，2006年畢業于北京郵電大學，現任中國移動通信研究院無線所項目經理，CCSAB3G工作組副組長，中國IMT-Advanced推進組技術子組副組長，IEEE和IEICE會員。主要研究方向為3G的演進、MIMOOFDMA的跨層無線資源管理、協作式Relay、感知無線電、異構系統的無線資源管理、MIMO信道測量和建模、IMT-Advacned系統的標準化和評估等，已發表B3G相關學術論文40余篇，申請專利10余項。王勇，北京郵電大學在讀博士研究生，主要研究方向為B3G TDD系統的研究和基帶系統開發、B3G系統集成等等。 張建華，博士，北京郵電大學副教授，2003年博士畢業于北京郵電大學，北京市科技新星，中國IMT-Advanced推進組頻率子組副組長，IEEE和IEICE會員，主要研究方向為MIMO OFDM的信道估計和同步、協作式Relay等B3G關鍵技術，MIMO信道測量和建模等；負責和完成多項國家自然科學基金和“863”項目，已發表相關學術論文50余篇，已申請專利10余項。