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信道估计

LTE Toolbox™产品采用正交频分复用(OFDM)作为数字多载波调制方案。信道估计在OFDM系统中起着重要的作用。它用于提高正交频分多址(OFDMA)系统在误码率方面的性能，以增加系统容量。

为了便于信道特性的估计，LTE使用小区特定的参考信号（导频符号）插入时间和频率。这些导频符号提供子帧内给定位置处信道的估计值。通过插值，可以跨任意数量的子帧估计信道。

信道估计概述

LTE中的导频符号根据eNodeB蜂窝识别号和所使用的发射天线在子帧内分配位置，如下图所示。

导频的独特定位确保它们不会相互干扰，并可用于提供由传播信道传递到传输网格内每个资源元素的复杂增益的可靠估计。

发送链和接收链以及传播信道模型如下图所示。

填充的资源网格表示包含数据的几个子帧。然后这个网格被OFDM调制并通过传播信道模型。信道噪声以加性高斯白噪声(AWGN)的形式在信号进入接收机之前加入。一旦进入接收器，信号就被OFDM解调，然后可以构建接收资源网格。接收资源网格包含受复杂信道增益和信道噪声影响的发送资源元素。利用已知导频符号对信道进行估计，可以均衡信道的影响，降低接收资源网格上的噪声。

LTE在子帧内为每个天线端口分配一组独特的位置，以映射参考信号。由于在这些位置上没有其他天线在时间和频率上传输数据，因此可以进行多天线配置的信道估计。信道估计算法从接收网格中提取发送/接收天线对的参考信号。在导频符号处信道频率响应的最小二乘估计计算如下所述OFDM系统中的信道估计［2］．然后平均估计最小二乘估计以减少来自导频符号的任何不需要的噪声。因为在子帧边缘附近没有导频可能在子帧边缘附近，因此创建虚拟导频符号以帮助子帧边缘附近的插值过程。使用平均导频符号估计和计算的虚拟导频符号，然后执行插值以估计整个子帧。在以下框图中展示了该过程。

获得飞行员评估子系统

确定最小二乘估计的第一步是从接收的子帧内从其已知位置中提取导频符号。因为已知这些导频符号的值，所以可以使用最小二乘估计来确定这些位置处的信道响应。通过将接收的导频符号除以其预期值来获得最小二乘估计。

$Y （ k ）＝ H （ k ） X （ k ） + n o 我年代 e$

地点:

$Y （ k ）$ 是接收到的复数符号值。
$X （ k ）$ 是传输的复符号值。
$H （ k ）$ 是符号经历的复杂信道增益。

已知的导频符号可以被发送去估计一个子帧内REs子集的信道。特别是，if导频符号 $X_{P} （ k ）$ 在一个RE中发送，一个瞬时信道估计 ${\tilde{H}}_{P} （ k ）$ 为此，可使用以下公式计算RE：

${\tilde{H}}_{P} （ k ）＝ \frac{Y_{P} （ k ）}{X_{P} （ k ）} ＝ H_{P} （ k ） + n o 我年代 e$

地点:

$Y_{P} （ k ）$ 表示接收到的导频符号值。
$X_{P} （ k ）$ 表示已知传输的导频符号值。
${\tilde{H}}_{P} （ k ）$ 是导频符号重新占用的真实信道响应。

飞行员平均子系统

为了最小化噪声对信道估计的影响，使用平均窗对最小二乘估计进行平均。这种简单的方法可以大大降低导频REs上的噪声水平。可以使用以下两种导频符号平均方法。

“TestEVM”-遵循TS 36.141中描述的方法[1],附件F.3.4。
“用户定义”-允许你定义窗口大小和平均方向使用的飞行员符号和其他设置用于插值。

`“TestEVM”`

第一种方法,，“TestEVM”，使用TS 36.141中描述的方法[1],附件F.3.4。在每个包含导频符号的子载波上执行时间平均，得到一个列向量，该列向量包含携带参考信号的每个子载波的平均振幅和相位。

然后，使用最大大小的移动窗口19对导频符号子载波的平均值进行频率平均。

请注意

使用时“TestEVM”导频符号平均，没有用户自定义参数，无法控制信道估计参数。使用TS 36.141中描述的方法进行估计[1]. 除了10个子帧的平均值不是严格要求的。这个lteDLChannelEstimate函数在输入中包含的子帧数上取平均值rxgrid．子帧的数量越大rxgrid时，噪声在时间方向上的平均效果越好。

`“用户定义”`

第二个导频符号平均法，“用户定义”，允许用户定义平均窗口的大小，将在(时间、频率或两者)和插值的某些方面进行方向平均，可以调整以适应现有的数据。有关更多信息，请参见插值子系统．

平均窗口大小是根据资源元素定义的。位于窗口内的任何导频符号都用于计算在窗口中心找到的导频符号的平均值。窗口大小必须是奇数，以确保在中心有一个飞行员。

请注意

平均导频符号位置的信道估计是一个简单而强大的工具，但窗口大小必须仔细选择。在快速衰落信道上使用大的窗口尺寸不仅可以平均噪声，还可以平均信道特性。在具有少量噪声的系统上执行过多的平均会对信道估计的质量产生不利影响。因此，对快速变化的信道使用较大的平均窗口可能会导致信道的估计显得平坦，导致信道估计差，并影响均衡的质量。

创建虚拟飞行员子系统

在许多情况下，资源网格的边缘不包含任何导频符号。下图中的资源网格显示了这种效果。

在这种情况下，边缘的信道估计不能从导频符号中插值。为了克服这个问题，创建了虚拟驾驶员符号。这个函数lteDLChannelEstimate在接收网格的所有边上创建虚拟导频符号，以允许立方插值。

虚拟飞行员安置

如下图所示创建虚拟导频符号。

在该系统中，扩展了资源网格，在遵循原始参考信号模式的位置创建虚拟导频符号。虚拟导频符号的存在允许使用原始和虚拟导频符号的插值计算资源元素上的信道估计，而以前无法通过插值计算。

计算虚拟导频符号值

使用原始导频符号计算虚拟导频符号。对于每个虚拟导频符号，按照以下步骤计算值:

在时间和频率上选取距离最近的10个普通导频。搜索被优化为考虑10个这样的飞行员，而不是检查所有可能的飞行员。根据单元RS的可能配置，使用10个导频为虚拟导频计算提供了足够的时间和频率分集。
使用这组10个导频，选择最近的三个导频符号。这三个符号必须至少占用两个唯一的子载波和两个唯一的OFDM符号。
使用这个由三个导频组成的集合，可以创建两个向量。在最近和最远的导频符号之间有一个向量，在第二最近和最远的导频符号之间有一个向量。
计算这两个向量的叉积来创建一个三个点所在的平面。
飞机延伸到虚拟飞行员的位置，以基于实际飞行员值之一计算该值。

这个图表显示了虚拟飞行员的计算。

请注意

虚拟飞行员仅为MATLAB创建^®“线性”和“立方”插值方法。

插值子系统

一旦噪声被减少或从最小二乘导频符号平均值中移除，并且确定了足够的虚拟导频，就可以使用插值来估计信道估计网格中的缺失值。的lteDLChannelEstimate函数有两个导频符号平均方法，“TestEVM”和“用户定义”．导频符号平均方法还定义了用于获得信道估计的插值方法。

的“TestEVM”TS 36.141中描述的导频平均法[1]，附件F.3.4要求对时间平均和频率平均列向量使用简单线性插值。插值是一维的，因为它只估计列向量中平均导频符号子载波之间的值。然后复制得到的向量，并将其用作整个资源网格的信道估计。

的“用户定义”导频平均方法执行二维插值以估计可用导频符号之间的信道响应。插值窗口用于指定用于执行插值的数据。这个InterpWindow字段定义可用数据的因果性质。有效的设置cec．InterpWindow是“因果”，非因果的,或“居中”．

使用InterpWindow设置:

“因果”当使用过去的数据时。
非因果的当使用未来数据时。恰恰相反“因果”．只依赖未来数据通常被称为反因果插值方法。
“居中”或“中心”当使用过去、现在和将来数据的组合时。

还可以调整此插值窗口的大小以适应可用数据。要指定此窗口大小，请设置互文大小字段。

噪声估计

通过了解接收信号上的噪声功率，可以提高某些接收机的性能lteDLChannelEstimate在已知的参考信号位置，使用估计的信道响应提供噪声功率谱密度(PSD)的估计。通过对噪声最小二乘估计和噪声平均估计的分析，可以确定噪声功率。

噪声最小二乘估计获得飞行员评估子系统噪声平均的飞行员符号估计飞行员平均子系统提供信道噪声的指示。除了附加噪声外，最小二乘估计和平均估计包含相同的数据。简单地取两个估计值之间的差异，就可以得到导频符号位置的最小二乘信道估计值的噪声电平值。再考虑,

${\tilde{H}}_{P} （ k ）＝ \frac{Y_{P} （ k ）}{X_{P} （ k ）} ＝ H_{P} （ k ） + n o 我年代 e$

在平滑窗口上平均瞬时信道估计，我们得到

${\tilde{H}}_{P}^{一个 V G} （ k ）＝ \frac{1}{| 年代 |} \sum_{米 \in 年代} {\tilde{H}}_{P} （米） \approx H_{P} （ k ）$

在哪里年代这组导频是否在平滑窗口和|的|飞机上的飞行员人数是多少年代．因此，可以使用以下方法对特定导频RE的噪声进行估计:

$\tilde{n o 我年代 e} ＝ {\tilde{H}}_{P} （米） - {\tilde{H}}_{P}^{一个 V G} （ k ）$

在实践中，不可能用平均法去除所有噪声，因为只能降低噪声，所以只能估计噪声功率。

请注意

在无噪声系统或高信噪比系统的情况下，平均可能会对最小二乘估计的质量产生有害的影响。

使用在导频符号位置处的信道响应中发现的噪声功率的值，可以通过获取所得噪声向量的方差来计算每个资源元素的噪声功率（RE）。计算并存储每个发射和接收天线对的每RE噪声功率。该矩阵的平均值作为每RE噪声功率的估计值返回。

有关如何为信道估计设置完整的发送和接收链的演示，请参阅PDSCH发射分集吞吐量仿真。在此示例中，使用多个天线，并通过传播信道模型模拟传输。

参考

[1] 3GPP TS 36.141。“演进通用地面无线电接入（E-UTRA）；基站（BS）一致性测试。”第三代合作项目；技术规范组无线接入网.URL:https://www.3gpp.org．

[2] 范德比克，J.-J.，O.Edfors，M.Sandell，S.K.Wilson和P.O.Borjesson。“OFDM系统中的信道估计”，《车辆技术会议》，IEEE第45届，第2卷，IEEE，1995年。

另见

lteDLChannelEstimate|lteEqualizeMMSE|lteequalizezf.|去调制