编码分组空时块码多入多出正交频分复用系统中的迭代接收机

第40卷第3期上海交通大学学报VoL 40 No. 32006年3月JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY文章编号:1006-2467(2006)03-0382-05编码分组空时块码多人多出正交频分复用系统中的迭代接收机樊迅,罗汉文,徐友云,黄建国(上海交通大学电子工程系,上海200240摘要:针对编码分组空时块码( G-STBC)多入多出正交频分复用( MIMO-OFDM)系统,提出了种联合MIMO检测和信道译码的选代接收机,其中MIMO解调器采用基于软符号并行干扰消除(PIC)和瞬时最小均方误差(MMSE)滤波的软入软出MIMO检测算法,不仅适用于MPSK调制,也适用于MQAM调制、仿真验证了文中选代接收机在多径衰落信道中的高效检测能力.关键词:多输入多输出;正交频分复用;迭代接收机;空时块码中图分类号:TN911.23文献标识码: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)编码分组空时块码( G-STBC)多入多出测与信道译码的最大似然(ML)检测,但是最优联(MIMO)-正交频分复用(OFDM)系统结构,综合合检测通常具有极大的复杂度而难于实现.文献[2]了信道编码、空时发送分集、空分复用、OFDM等多中基于 Turbo原则,针对信道编码的多用户STBC项无线通信技术的特点,可以在系统中接收天线数系统提出了一种迭代接收机,其中MIMO检测模块少于发送天线数的情况下,进行高频谱效率的信息采用基于软符号并行干扰消除(PC)和瞬时最小均传输,尤其适用于宽带无线通信的下行链路针对该方误差(MMSE)滤波的软入软出( SISO) MIMO检系统结构,接收端最优的检测方法是联合MMO检测算法该接收机可以通过MIMO检测器和信道译收稿日期:20050321基金项目:国家自然科学基金资助项目(60332030、60272079、60572157)国家高技术研究发展计划(863)项目(2003AA123310)作者简介:樊迅(1975-),男,江苏南京人,博士生,主要从事MIMO中的信号检测以及多用户检测的研究罗汉文(联系人)男,教授博士生导师,电话(Te.):021-62932159;E-mail:luohanwen@hotmail.com,3期樊迅,等:编码分组空时块码多入多出正交频分复用系统中的选代接收机383码器间的多次迭代以较低的复杂度逼近最优联合检出了一种通用的基于软符号PIC和瞬时MMSE滤测的性能但它是针对平衰落信道设计的,而且其中波的 SISO MIMO检测算法,该算法不仅适用于的 SISO MIMO检测算法只适用于MPSK调制.文MPSK调制,也适用于MQAM调制献[冂]中针对频率选择性信道环境,提出了一种编码G-STBC MIMO-OFDM系统的选代接收机,通过对1系统模型文献[2]中MIMO检测器PIC的输人进行改进获得1.1发端结构了更好的性能,但它也仅是针对BPSK和QPSK调如图1所示,在编码 G-STBC MIMO-OFDM制设计的系统发端,发送天线被分成K组,与之对应,系统本文提出一种针对编码 G-STBC MIMO帧输入的信息比特流也分为并行的K路.首先,对OFDM系统的迭代接收机,它通过MIMO检测器每一路输入信息比特流{b(i)};进行卷积编码,编和信道译码器间外信息的交互和多次迭代,不断地码输出的比特流{ad(j)}交织后输入调制器进行调改进检测的性能,最终由信道译码器输出信息比特制.然后,调制输出的符号流,以一个空时编码周期的估计完成检测.并且,在接收机关键模块—MI内的STBC编码输入符号数为单位进行分块,每块MO检测器的设计中,本文对文献[2]中适用于经过独立的STBC编码后,被映射到对应的空时编MPSK调制的 SISO MIMO检测算法进行改进,提码周期和子载波上(b(,(ce()交织器调制器b2(0交织器调制器/O)编码器「“插入CP{b()卷积交织器调制器(CK(D3 STBCIFFT/编码器编码器i入图1编码 GSTBC MIMO-OFDM系统发端结构Fig. 1 The transmitter structure for a coded G- STBS MIMO OFDM system为了表述方便,下面以 Alamouti STBC编码情同分布,且在一个OFDM符号内保持不变.另外,假形为例进行介绍.该编码器可以通过如下的编码矩设OFDM的循环前缀足够长(大于多径信道的最大阵表述3:延时扩展).由于在这样的系统中不存在子载波干扰(ICI)和符号间干扰(ISI),故可以针对不同OFDM(1)时隙和子载波建立独立的信道模型,以第n个式中,{x1,x2}对应一个空时编码周期内的2个编码OFDM时隙第p个子载波为例,对应的MIMO输入符号编码后,在空时编码周期的不同时隙,对OFDM频域离散基带模型为应矩阵行中的符号被发送.这样,若系统中第k组调ym,p=H,prnptW.制输出符号流中的一块为{(1),c,(2)},经过线上的频域观测值和加性高斯噪声;NK维列向量Alamouti STbC编码器编码后,在第n个空时编码x,对应NK个发送天线上的频域发送符号;H周期的第1个时隙(或第1个OFDM符号间隔),在为MXNK的频域信道矩阵,它的第v行以列元素第p个OFDM子载波上,通过第k组的2个天线同H可通过对对应时域信道进行傅里叶变换获得,时发送符号{c。(1),c(2)).类似地在第2个时隙发送{-c.(2),c.p(1)}.最后,STBC编码器Hr;=∑()x(+1xp)(3)的输出通过IFFT变换到时域并在插入循环前缀NcA为子载波数,{h;"(),h”(r),…,h""(r)}(CP后通过N=2个发送天线发送出去为第n个OFDM时隙第u个发送天线和第v个接1.2信道模型收天线间L+1个独立的时域多径衰落.假设系统中任一收发天线对间的多径信道独立综合信道模型式(2)和空时编码约束式(1)的关34上海交通大学学报第40卷系,可得第η个空时编码周期第户个子载波上频域的随机变量;观测值与空时编码输入关系的输入输出模型:(3)在上述等效信道模型的推导中,并没有使HmCm, p+n,(4)用STBC系统中通常所做的信道必须在一个空时编式中:rn,=[y2m-1(p),-y(p),y2n-1,2(p),码周期保持不变的假设,这使得基于本文推导的等y,2(p),…,ynx-1,M(p),-y2M(p)],ym(p)为效信道模型设计的接收机完全可以适用于信道在y(p)的第m个元素个空时编码周期变化的情形Hi: ',(p)Hi: 2,(p). Hi: 21-(P)Hl-2K(p1.3迭代接收机结构H2(p)H(p…-H(p)·H(p假设接收端已知信道状态信息(CSI),编码G- STBC MIMO-OFDM系统迭代接收机结构如图H1(p)H21(p)…H-(p)H(p2所示,接收机在前端去除CP和进行FFT后,在频(p增(p)”…-(p)理(p)」域通过 SISO MIMO解调器和K个并行的最大后验cn,=[c.,(1),c.(2),c2,(1),c2.,(2),概率(MAP)卷积译码器间的迭代进行检测,最后由c,(1),C,(2)]卷积译码器输出信息比特的估计.其中SISOc,(D对应一个取自单位能量符号星座的调制符MMO解调器的输入为M个接收天线上的频域观号,表示第k组中第n个空时编码周期第p个子载测值,以及K组MAP卷积译码器反馈的交织后编波上的第l个空时编码输入;n,中的元素为独立同码比特的外对数似然比(LR)《A[d()]},输出分布的循环对称复高斯随机变量,均值为0,每实数为对应编码比特的后验LLR(A1[d(j)])…,第k维方差为N。/组MAP卷积译码器输入为来自 SISO MIMO解调式(4)被称为 G-STBC MIMO-OFDM的等效器的经过解交织的编码比特外LLR{[d(j)]},信道模型(简称等效信道模型),是MIMO检测依赖输出为对应编码比特的后验LLR{A2[dj)]},,以的基础对于该等效信道模型,有几点值得注意:及信息比特的后验LLR{A2[b(i)]}其中,(1)不同的空时编码周期与子载波上的等效信4[d()]}减去对应先验后产生编码比特外道模型是独立建模的,因此检测可针对不同的模型LR{λ2[d4(j)]},交织后输入 SISO MIMO解调独立完成;器;LLR{A2[b4(i)]}仅在最后一次迭代输出,通过2)由于发端交织器的使用,以及每组输入比对其进行硬判决,可得到最终信息比特的估计值特相互独立的假设,cn中的元素可被视为相互独立Wild MAP Y2ld,(Y2l4g04(川卷积解码器FFTA[b1(盐P=回g“1a产MIMOA2[b(J解调器M川厂MAP4kmx小卷积解码器A.bADJ图2编码G- STBC MIMO-OFDM系统迭代接收机结构Fig. 2 The iterative receiver structure for a coded G-STES MIMO OFDM system2迭代检测算法测可独立进行,考察第n空时编码周期内第p子载波上的等效信道模型(为表示简单,略去下标n,p):2.1 SISO MIMO检测算法Hc+n(5)如前所述,不同空时编码周期与子载波上的检对应的 SISO MIMO检测可经如下3步完成第3期樊迅,等:编码分组空时块码多入多出正交频分复用系统中的迭代接收机3852.1.1基于软符号的并行干扰消除想,在MMSE滤波估计c时,不使用与c对应的反(1)根据反馈先验输入计算待检测符号的软估馈先验(即假设cx的先验均值为0,平均能量为计和均方值,分别为E(lc|2)=1).这样,可得≌E}=∑cPce=CElrci)= HEI(c-C)ci)= Hey (10)EIrrH)=HV,H+NoIE{c|2}=∑|c|2P{c=C式中:e为2K维列向量,其中第k个元素为1,其余式中k=1,2,…,2K;c表示c的第k个元素;元素为0为2M×2M的单位阵;v,cv{c-c,}Pc=C}表示c为符号星座ac中符号C的先验=diag{E(|c12)-1a12…,E(lcx=1|2)-|c4-1|2,概率第一次迭代,没有反馈的先验信息可被利用,1,E(1d+:(2)-1+12,…,E(1cx12)-1cxl)令所有的P{c=C}等概对于后续迭代,P{c=由此可得C}通过下式计算:Cr=elH[HVH+NoI-Tr(12=C}=ⅡP{d,=D,}由于MMSE滤波输出的干扰加噪声可以很好地用一个零均值复高斯随机变量建模,c可进一步表expl. i(dr, 2(6)示为+expD. a2(dr )R=Acr+e(13)式中:K。为调制符号对应的比特数;d∈(+1,式中,为零均值的复高斯随机变量对比式(12),1)对应调制符号c二进制表示的第j个比特,对并利用c和n的统计特性,可得应关系为d,=+1,对应比特0,dx,=-1,对应比eFHH[HvHH+N门-He,特1;D,∈(+1,-1}对应调制符号C的第j个比Vf=EI ne 12)p特:0(d)为MAP译码器反馈的对应dx,的外式(13)对MMSE输出估计的高斯建模,将为计算编LLR,此值在 SISO MIMO检测器中作为对应比特码比特后验LLR提供方便的先验LLR使用.式(6)中第1个等式的推导利用了调制符号对应比特间相互独立的假设.由于发端2.L.3编码比特后验LLR计算调制符号c第j比特交织器的使用,该假设是合理的第2个等式可个比特d+的后验LLRA1(d4,)可表示为2通过对如下比特LLR的定义进行变换获得A(d∴y)=hd=+1|r(7)In Pid,=+11cr)值得注意的是,在文献[2]中针对MPSK调制性并不需计算E{1.而在本文的算法中,这种h/=eC1+分2(a,;)设计的算法中,由于所有调制符号具有等能量的特计算是必要的,尤其对MQAM高阶调制更是如C+21,exp此(2)基于软符号的PIC如下+a2(dv,)(16)r,r-Be,=H(e-c,)+n(8)式中,C和C;分别表示第j比特为+1和-1的调制符号的集合由式(16)可见,算法输出的比特后k=1,2,……,2K验LLR由两项之和组成其中A(d,)对应前次迭式中,ex三[1,…,dk-1,0,cx+1,…,2k]2.1.2瞬时MMSE滤波为了进一步抑制PIC代由卷积译码器反馈的先验LLR(首次迭代无反馈先验,(d,)=0).第1项λ1(d,)对应输出外信后残留的干扰和噪声,对P进行MMSE滤波,ck=息,它经过解交织后输入卷积译码器作为输入先验rx,其中,MMSE滤波向量为2.2MAP卷积译码算法w= arg min E{‖cy-w"r‖2}=接收端的译码算法采用标准的卷积码MAP译Eirrrrl-Elrrcs(9)码算法(或BCJR算法),基于输入译码器的编码作为 Turbo迭代检测的一个基本原则,迭代模块间比特的先验LLR[d(j)]》和卷积编码结构,算的交互信息应为不含输入先验在内的外信息,以避法输出编码比特的后验LLRA2[d(j)]},以及信息免迭代过早收敛影响整体检测的性能.基于这个思比特的后验LLR{A2[b(i)]}上海交通大学学报第40卷3仿真结果由图3(a)可见,在10的BER处,通过5次迭代,本文提出的迭代接收机相对传统非迭代的接收考虑一个如图1所示的4组(K=4)编码机(即对应1次迭代的性能)有约6dB的性能增益.G-STBC MIMO-OFDM系统,每组中的输入信息此外,也可看出随着迭代次数的增加,本文迭代接收比特流都采用生成多项式为(1+D2,1+D+D2)的机逼近单组系统迭代检测的性能.4状态1/2码率的卷积码进行编码,并在每一帧的图3(b)所示为 Jakes多径衰落信道环境下本文结尾输入2个迫零尾比特,强制编码器状态归零.所提出迭代接收的性能结果.信道为2径等功率信道,有组的调制器都采用相同的16-QAM调制,STBC径间延时为5ps,信道的时变特性通过 Jakes信道码器都采用 Alamouti stBC编码,交织器采用矩模型建模仿真中设定归一化的多普勒频率为0.02,阵交织.在接收端,配置4个接收天线进行接收(如模拟快变的信道.由图3(b)可见,本文迭代接收机图2,M=4).假定系统中任一收发天线对间的信道工作良好,并可得到与准静态情形类似的结论独立同分布,且接收机已知信道状态信息.仿真中,系统每帧输人比特数为65528bit,系统带宽为2.5结语MHz,OFDM的子载波数为128,CP长度为10.8针对编码的 G -STBC MIMO-OFDM系统,并s,这样,一个OFDM符号的时间间隔为62.0μs.基于 Turbo原则,本文提出了一种联合MIMO检系统的带宽效率约为6.6bit/(s·Hz-1)测和信道译码的迭代接收机而且,针对迭代接收机图3(a)所示为准静态多径衰落信道环境下本中的MMO检测器模块,本文也提出了一种通用的文提出迭代接收机的性能结果.信道为2径等功率基于PIC和瞬时MMSE滤波的 SISO MIMO检测信道,径间延时为5gs,且在连续两个OFDM符号算法,该算法不仅适用于MPSK调制,也可用于间隔保持不变.出于比较的目的,图中给出单组系统MQAM调制仿真表明,在准静态和 Jakes多径衰迭代8次后的性能曲线(SG1-8),正如文献[2]中表落信道环境中,本文迭代接收机相对传统的非迭代明的,在高信噪比时,该曲线可被近似视为最优联合接收机有非常显著的性能增益,并且,随着迭代次数检测的下限的增加,可获得逼近单组系统迭代检测的性能1次迭代参考文献:[1] Sun SM, Wu Y, Li Y, et al. 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