編碼分組空時(shí)塊碼多入多出正交頻分復用系統中的迭代接收機

第40卷第3期上海交通大學(xué)學(xué)報VoL 40 No. 32006年3月JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY文章編號:1006-2467(2006)03-0382-05編碼分組空時(shí)塊碼多人多出正交頻分復用系統中的迭代接收機樊迅,羅漢文,徐友云,黃建國(上海交通大學(xué)電子工程系,上海200240摘要:針對編碼分組空時(shí)塊碼( G-STBC)多入多出正交頻分復用( MIMO-OFDM)系統,提出了種聯(lián)合MIMO檢測和信道譯碼的選代接收機,其中MIMO解調器采用基于軟符號并行干擾消除(PIC)和瞬時(shí)最小均方誤差(MMSE)濾波的軟入軟出MIMO檢測算法,不僅適用于MPSK調制,也適用于MQAM調制、仿真驗證了文中選代接收機在多徑衰落信道中的高效檢測能力.關(guān)鍵詞:多輸入多輸出;正交頻分復用;迭代接收機;空時(shí)塊碼中圖分類(lèi)號:TN911.23文獻標識碼:AAn Iterative Receiver for Coded group-WiseSpace-Time Block Coding MIMO-OFDM SystemsFAN Xun, LUO Han-wen, XU You-yun, HUANG Jian-guo( Dept. of Electronic Eng, Shanghai Jiaotong Univ, Shanghai 200240, China)Abstract: An iterative receiver combining multiple-input multiple-output (MIMo)detection and channeldecoding was proposed for coded group-wise space-time block coding (G-STBC) MIMO-orthogonal fre-quency division multiplexing (OFDM) systems. In the proposed receiver, a generalized MIMO detectionalgorithm based on soft interference cancellation and instantaneous MMSE filtering is proposed, which isapplicable to the cases with not only M-PSK modulation but also M-QAM one. The simulations demon-strate the efficient ability of the proposed receiver in multi-path fading channelsKey words: multiple-input and multiple-output (MIMO); orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); iterative receiver; space-time block code(STBC)編碼分組空時(shí)塊碼( G-STBC)多入多出測與信道譯碼的最大似然(ML)檢測,但是最優(yōu)聯(lián)(MIMO)-正交頻分復用(OFDM)系統結構,綜合合檢測通常具有極大的復雜度而難于實(shí)現.文獻[2]了信道編碼、空時(shí)發(fā)送分集、空分復用、OFDM等多中基于 Turbo原則,針對信道編碼的多用戶(hù)STBC項無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的特點(diǎn),可以在系統中接收天線(xiàn)數系統提出了一種迭代接收機,其中MIMO檢測模塊少于發(fā)送天線(xiàn)數的情況下,進(jìn)行高頻譜效率的信息采用基于軟符號并行干擾消除(PC)和瞬時(shí)最小均傳輸,尤其適用于寬帶無(wú)線(xiàn)通信的下行鏈路針對該方誤差(MMSE)濾波的軟入軟出( SISO) MIMO檢系統結構,接收端最優(yōu)的檢測方法是聯(lián)合MMO檢測算法該接收機可以通過(guò)MIMO檢測器和信道譯收稿日期:20050321基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(60332030、60272079、60572157)國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2003AA123310)作者簡(jiǎn)介:樊迅(1975-),男,江蘇南京人,博士生,主要從事MIMO中的信號檢測以及多用戶(hù)檢測的研究羅漢文(聯(lián)系人)男,教授博士生導師,電話(huà)(Te.):021-62932159;E-mail:luohanwen@hotmail.com,3期樊迅,等:編碼分組空時(shí)塊碼多入多出正交頻分復用系統中的選代接收機383碼器間的多次迭代以較低的復雜度逼近最優(yōu)聯(lián)合檢出了一種通用的基于軟符號PIC和瞬時(shí)MMSE濾測的性能但它是針對平衰落信道設計的,而且其中波的 SISO MIMO檢測算法,該算法不僅適用于的 SISO MIMO檢測算法只適用于MPSK調制.文MPSK調制,也適用于MQAM調制獻[冂]中針對頻率選擇性信道環(huán)境,提出了一種編碼G-STBC MIMO-OFDM系統的選代接收機,通過(guò)對1系統模型文獻[2]中MIMO檢測器PIC的輸人進(jìn)行改進(jìn)獲得1.1發(fā)端結構了更好的性能,但它也僅是針對BPSK和QPSK調如圖1所示,在編碼 G-STBC MIMO-OFDM制設計的系統發(fā)端,發(fā)送天線(xiàn)被分成K組,與之對應,系統本文提出一種針對編碼 G-STBC MIMO幀輸入的信息比特流也分為并行的K路.首先,對OFDM系統的迭代接收機,它通過(guò)MIMO檢測器每一路輸入信息比特流{b(i)};進(jìn)行卷積編碼,編和信道譯碼器間外信息的交互和多次迭代,不斷地碼輸出的比特流{ad(j)}交織后輸入調制器進(jìn)行調改進(jìn)檢測的性能,最終由信道譯碼器輸出信息比特制.然后,調制輸出的符號流,以一個(gè)空時(shí)編碼周期的估計完成檢測.并且,在接收機關(guān)鍵模塊—MI內的STBC編碼輸入符號數為單位進(jìn)行分塊,每塊MO檢測器的設計中,本文對文獻[2]中適用于經(jīng)過(guò)獨立的STBC編碼后,被映射到對應的空時(shí)編MPSK調制的 SISO MIMO檢測算法進(jìn)行改進(jìn),提碼周期和子載波上(b(,(ce()交織器調制器b2(0交織器調制器/O)編碼器「“插入CP{b()卷積交織器調制器(CK(D3 STBCIFFT/編碼器編碼器i入圖1編碼 GSTBC MIMO-OFDM系統發(fā)端結構Fig. 1 The transmitter structure for a coded G- STBS MIMO OFDM system為了表述方便,下面以 Alamouti STBC編碼情同分布,且在一個(gè)OFDM符號內保持不變.另外,假形為例進(jìn)行介紹.該編碼器可以通過(guò)如下的編碼矩設OFDM的循環(huán)前綴足夠長(cháng)(大于多徑信道的最大陣表述3:延時(shí)擴展).由于在這樣的系統中不存在子載波干擾(ICI)和符號間干擾(ISI),故可以針對不同OFDM(1)時(shí)隙和子載波建立獨立的信道模型,以第n個(gè)式中,{x1,x2}對應一個(gè)空時(shí)編碼周期內的2個(gè)編碼OFDM時(shí)隙第p個(gè)子載波為例,對應的MIMO輸入符號編碼后,在空時(shí)編碼周期的不同時(shí)隙,對OFDM頻域離散基帶模型為應矩陣行中的符號被發(fā)送.這樣,若系統中第k組調ym,p=H,prnptW.制輸出符號流中的一塊為{(1),c,(2)},經(jīng)過(guò)線(xiàn)上的頻域觀(guān)測值和加性高斯噪聲;NK維列向量Alamouti STbC編碼器編碼后,在第n個(gè)空時(shí)編碼x,對應NK個(gè)發(fā)送天線(xiàn)上的頻域發(fā)送符號;H周期的第1個(gè)時(shí)隙(或第1個(gè)OFDM符號間隔),在為MXNK的頻域信道矩陣,它的第v行以列元素第p個(gè)OFDM子載波上,通過(guò)第k組的2個(gè)天線(xiàn)同H可通過(guò)對對應時(shí)域信道進(jìn)行傅里葉變換獲得,時(shí)發(fā)送符號{c。(1),c(2)).類(lèi)似地在第2個(gè)時(shí)隙發(fā)送{-c.(2),c.p(1)}.最后,STBC編碼器Hr;=∑()x(+1xp)(3)的輸出通過(guò)IFFT變換到時(shí)域并在插入循環(huán)前綴NcA為子載波數,{h;"(),h”(r),…,h""(r)}(CP后通過(guò)N=2個(gè)發(fā)送天線(xiàn)發(fā)送出去為第n個(gè)OFDM時(shí)隙第u個(gè)發(fā)送天線(xiàn)和第v個(gè)接1.2信道模型收天線(xiàn)間L+1個(gè)獨立的時(shí)域多徑衰落.假設系統中任一收發(fā)天線(xiàn)對間的多徑信道獨立綜合信道模型式(2)和空時(shí)編碼約束式(1)的關(guān)34上海交通大學(xué)學(xué)報第40卷系,可得第η個(gè)空時(shí)編碼周期第戶(hù)個(gè)子載波上頻域的隨機變量;觀(guān)測值與空時(shí)編碼輸入關(guān)系的輸入輸出模型:(3)在上述等效信道模型的推導中,并沒(méi)有使HmCm, p+n,(4)用STBC系統中通常所做的信道必須在一個(gè)空時(shí)編式中:rn,=[y2m-1(p),-y(p),y2n-1,2(p),碼周期保持不變的假設,這使得基于本文推導的等y,2(p),…,ynx-1,M(p),-y2M(p)],ym(p)為效信道模型設計的接收機完全可以適用于信道在y(p)的第m個(gè)元素個(gè)空時(shí)編碼周期變化的情形Hi: ',(p)Hi: 2,(p). Hi: 21-(P)Hl-2K(p1.3迭代接收機結構H2(p)H(p…-H(p)·H(p假設接收端已知信道狀態(tài)信息(CSI),編碼G- STBC MIMO-OFDM系統迭代接收機結構如圖H1(p)H21(p)…H-(p)H(p2所示,接收機在前端去除CP和進(jìn)行FFT后,在頻(p增(p)”…-(p)理(p)」域通過(guò) SISO MIMO解調器和K個(gè)并行的最大后驗cn,=[c.,(1),c.(2),c2,(1),c2.,(2),概率(MAP)卷積譯碼器間的迭代進(jìn)行檢測,最后由c,(1),C,(2)]卷積譯碼器輸出信息比特的估計.其中SISOc,(D對應一個(gè)取自單位能量符號星座的調制符MMO解調器的輸入為M個(gè)接收天線(xiàn)上的頻域觀(guān)號,表示第k組中第n個(gè)空時(shí)編碼周期第p個(gè)子載測值,以及K組MAP卷積譯碼器反饋的交織后編波上的第l個(gè)空時(shí)編碼輸入;n,中的元素為獨立同碼比特的外對數似然比(LR)《A[d()]},輸出分布的循環(huán)對稱(chēng)復高斯隨機變量,均值為0,每實(shí)數為對應編碼比特的后驗LLR(A1[d(j)])…,第k維方差為N。/組MAP卷積譯碼器輸入為來(lái)自 SISO MIMO解調式(4)被稱(chēng)為 G-STBC MIMO-OFDM的等效器的經(jīng)過(guò)解交織的編碼比特外LLR{[d(j)]},信道模型(簡(jiǎn)稱(chēng)等效信道模型),是MIMO檢測依賴(lài)輸出為對應編碼比特的后驗LLR{A2[dj)]},,以的基礎對于該等效信道模型,有幾點(diǎn)值得注意:及信息比特的后驗LLR{A2[b(i)]}其中,(1)不同的空時(shí)編碼周期與子載波上的等效信4[d()]}減去對應先驗后產(chǎn)生編碼比特外道模型是獨立建模的,因此檢測可針對不同的模型LR{λ2[d4(j)]},交織后輸入 SISO MIMO解調獨立完成;器;LLR{A2[b4(i)]}僅在最后一次迭代輸出,通過(guò)2)由于發(fā)端交織器的使用,以及每組輸入比對其進(jìn)行硬判決,可得到最終信息比特的估計值特相互獨立的假設,cn中的元素可被視為相互獨立Wild MAP Y2ld,(Y2l4g04(川卷積解碼器FFTA[b1(鹽P=回g“1a產(chǎn)MIMOA2[b(J解調器M川廠(chǎng)MAP4kmx小卷積解碼器A.bADJ圖2編碼G- STBC MIMO-OFDM系統迭代接收機結構Fig. 2 The iterative receiver structure for a coded G-STES MIMO OFDM system2迭代檢測算法測可獨立進(jìn)行,考察第n空時(shí)編碼周期內第p子載波上的等效信道模型(為表示簡(jiǎn)單,略去下標n,p):2.1 SISO MIMO檢測算法Hc+n(5)如前所述,不同空時(shí)編碼周期與子載波上的檢對應的 SISO MIMO檢測可經(jīng)如下3步完成第3期樊迅,等:編碼分組空時(shí)塊碼多入多出正交頻分復用系統中的迭代接收機3852.1.1基于軟符號的并行干擾消除想,在MMSE濾波估計c時(shí),不使用與c對應的反(1)根據反饋先驗輸入計算待檢測符號的軟估饋先驗(即假設cx的先驗均值為0,平均能量為計和均方值,分別為E(lc|2)=1).這樣,可得≌E}=∑cPce=CElrci)= HEI(c-C)ci)= Hey (10)EIrrH)=HV,H+NoIE{c|2}=∑|c|2P{c=C式中:e為2K維列向量,其中第k個(gè)元素為1,其余式中k=1,2,…,2K;c表示c的第k個(gè)元素;元素為0為2M×2M的單位陣;v,cv{c-c,}Pc=C}表示c為符號星座ac中符號C的先驗=diag{E(|c12)-1a12…,E(lcx=1|2)-|c4-1|2,概率第一次迭代,沒(méi)有反饋的先驗信息可被利用,1,E(1d+:(2)-1+12,…,E(1cx12)-1cxl)令所有的P{c=C}等概對于后續迭代,P{c=由此可得C}通過(guò)下式計算:Cr=elH[HVH+NoI-Tr(12=C}=ⅡP{d,=D,}由于MMSE濾波輸出的干擾加噪聲可以很好地用一個(gè)零均值復高斯隨機變量建模,c可進(jìn)一步表expl. i(dr, 2(6)示為+expD. a2(dr )R=Acr+e(13)式中:K。為調制符號對應的比特數;d∈(+1,式中,為零均值的復高斯隨機變量對比式(12),1)對應調制符號c二進(jìn)制表示的第j個(gè)比特,對并利用c和n的統計特性,可得應關(guān)系為d,=+1,對應比特0,dx,=-1,對應比eFHH[HvHH+N門(mén)-He,特1;D,∈(+1,-1}對應調制符號C的第j個(gè)比Vf=EI ne 12)p特:0(d)為MAP譯碼器反饋的對應dx,的外式(13)對MMSE輸出估計的高斯建模,將為計算編LLR,此值在 SISO MIMO檢測器中作為對應比特碼比特后驗LLR提供方便的先驗LLR使用.式(6)中第1個(gè)等式的推導利用了調制符號對應比特間相互獨立的假設.由于發(fā)端2.L.3編碼比特后驗LLR計算調制符號c第j比特交織器的使用,該假設是合理的第2個(gè)等式可個(gè)比特d+的后驗LLRA1(d4,)可表示為2通過(guò)對如下比特LLR的定義進(jìn)行變換獲得A(d∴y)=hd=+1|r(7)In Pid,=+11cr)值得注意的是,在文獻[2]中針對MPSK調制性并不需計算E{1.而在本文的算法中,這種h/=eC1+分2(a,;)設計的算法中,由于所有調制符號具有等能量的特計算是必要的,尤其對MQAM高階調制更是如C+21,exp此(2)基于軟符號的PIC如下+a2(dv,)(16)r,r-Be,=H(e-c,)+n(8)式中,C和C;分別表示第j比特為+1和-1的調制符號的集合由式(16)可見(jiàn),算法輸出的比特后k=1,2,……,2K驗LLR由兩項之和組成其中A(d,)對應前次迭式中,ex三[1,…,dk-1,0,cx+1,…,2k]2.1.2瞬時(shí)MMSE濾波為了進(jìn)一步抑制PIC代由卷積譯碼器反饋的先驗LLR(首次迭代無(wú)反饋先驗,(d,)=0).第1項λ1(d,)對應輸出外信后殘留的干擾和噪聲,對P進(jìn)行MMSE濾波,ck=息,它經(jīng)過(guò)解交織后輸入卷積譯碼器作為輸入先驗rx,其中,MMSE濾波向量為2.2MAP卷積譯碼算法w= arg min E{‖cy-w"r‖2}=接收端的譯碼算法采用標準的卷積碼MAP譯Eirrrrl-Elrrcs(9)碼算法(或BCJR算法),基于輸入譯碼器的編碼作為 Turbo迭代檢測的一個(gè)基本原則,迭代模塊間比特的先驗LLR[d(j)]》和卷積編碼結構,算的交互信息應為不含輸入先驗在內的外信息,以避法輸出編碼比特的后驗LLRA2[d(j)]},以及信息免迭代過(guò)早收斂影響整體檢測的性能.基于這個(gè)思比特的后驗LLR{A2[b(i)]}上海交通大學(xué)學(xué)報第40卷3仿真結果由圖3(a)可見(jiàn),在10的BER處,通過(guò)5次迭代,本文提出的迭代接收機相對傳統非迭代的接收考慮一個(gè)如圖1所示的4組(K=4)編碼機(即對應1次迭代的性能)有約6dB的性能增益.G-STBC MIMO-OFDM系統,每組中的輸入信息此外,也可看出隨著(zhù)迭代次數的增加,本文迭代接收比特流都采用生成多項式為(1+D2,1+D+D2)的機逼近單組系統迭代檢測的性能.4狀態(tài)1/2碼率的卷積碼進(jìn)行編碼,并在每一幀的圖3(b)所示為 Jakes多徑衰落信道環(huán)境下本文結尾輸入2個(gè)迫零尾比特,強制編碼器狀態(tài)歸零.所提出迭代接收的性能結果.信道為2徑等功率信道,有組的調制器都采用相同的16-QAM調制,STBC徑間延時(shí)為5ps,信道的時(shí)變特性通過(guò) Jakes信道碼器都采用 Alamouti stBC編碼,交織器采用矩模型建模仿真中設定歸一化的多普勒頻率為0.02,陣交織.在接收端,配置4個(gè)接收天線(xiàn)進(jìn)行接收(如模擬快變的信道.由圖3(b)可見(jiàn),本文迭代接收機圖2,M=4).假定系統中任一收發(fā)天線(xiàn)對間的信道工作良好,并可得到與準靜態(tài)情形類(lèi)似的結論獨立同分布,且接收機已知信道狀態(tài)信息.仿真中,系統每幀輸人比特數為65528bit,系統帶寬為2.5結語(yǔ)MHz,OFDM的子載波數為128,CP長(cháng)度為10.8針對編碼的 G -STBC MIMO-OFDM系統,并s,這樣,一個(gè)OFDM符號的時(shí)間間隔為62.0μs.基于 Turbo原則,本文提出了一種聯(lián)合MIMO檢系統的帶寬效率約為6.6bit/(s·Hz-1)測和信道譯碼的迭代接收機而且,針對迭代接收機圖3(a)所示為準靜態(tài)多徑衰落信道環(huán)境下本中的MMO檢測器模塊,本文也提出了一種通用的文提出迭代接收機的性能結果.信道為2徑等功率基于PIC和瞬時(shí)MMSE濾波的 SISO MIMO檢測信道,徑間延時(shí)為5gs,且在連續兩個(gè)OFDM符號算法,該算法不僅適用于MPSK調制,也可用于間隔保持不變.出于比較的目的,圖中給出單組系統MQAM調制仿真表明,在準靜態(tài)和 Jakes多徑衰迭代8次后的性能曲線(xiàn)(SG1-8),正如文獻[2]中表落信道環(huán)境中,本文迭代接收機相對傳統的非迭代明的,在高信噪比時(shí),該曲線(xiàn)可被近似視為最優(yōu)聯(lián)合接收機有非常顯著(zhù)的性能增益,并且,隨著(zhù)迭代次數檢測的下限的增加,可獲得逼近單組系統迭代檢測的性能1次迭代參考文獻:[1] Sun SM, Wu Y, Li Y, et al. 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