王麗君

(陜西國際商貿(mào)學(xué)院，陜西咸陽712046)

在飛速發(fā)展的數(shù)字信息時(shí)代，數(shù)字移動通信系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，使其已成為現(xiàn)代通信網(wǎng)中一種不可缺少并發(fā)展最快的通信手段之一。對于無線寬帶信道，STBC與OFDM的聯(lián)合用來實(shí)現(xiàn)空間分集和由多徑傳播提供的多徑分集［1，2］。對于多用戶系統(tǒng)，比如蜂窩移動通信，合適的多用戶檢測技術(shù)可以用來檢測來自于任何一個(gè)存在于其他共道用戶的信號。上行STBC-OFDM通信系統(tǒng)的多用戶檢測算法與文獻(xiàn)［3］中提出的MMSE檢測相比來說在僅僅需要很小的額外復(fù)雜度的情況下，可以較大程度的提高系統(tǒng)的誤碼性能。

1 STBC-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空時(shí)分組碼是一種用于實(shí)現(xiàn)的編碼技術(shù)，最初的設(shè)計(jì)和己經(jīng)取得的成果都是基于窄帶無線系統(tǒng)平坦衰落信道，但許多無線信道在本質(zhì)上都是頻率選擇性衰落的，使得在空時(shí)編碼的設(shè)計(jì)中需要用到信道均衡等技術(shù)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將變得非常復(fù)雜。為了解決這個(gè)問題，有兩種解決的方法:一是采用單載波頻域均衡，另一種是采用可以將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)換為獨(dú)立并行平坦衰落子信道的OFDM技術(shù)和空時(shí)編碼技術(shù)相結(jié)合;但單載波頻域均衡頻譜利用率很低，無法滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的需求，空時(shí)分組碼由于其簡單、實(shí)用性受到廣泛的關(guān)注，所以本文選擇將STBC與OFDM技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行研究。

多用戶檢測技術(shù)MUD是一種從接收機(jī)端解決干擾抑制的方法，它解決的基本問題是:如何從相互干擾的數(shù)字信息串中可靠地解調(diào)出某個(gè)特定用戶號。圖1即為多用戶STBC-OFDM系統(tǒng)的信號模型。

如圖1所示的是STBC-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，假設(shè)這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)上行鏈路系統(tǒng)，含有K個(gè)使用Alamouti＇s STBC-OFDM的用戶，它們能夠同步傳輸信號到基站。在發(fā)射端，來自用戶K的Q個(gè)BPSK調(diào)制信號的每一幀都是通過兩個(gè)時(shí)隙和兩個(gè)天線陣列根據(jù)Alamouti STBC來進(jìn)行分組編碼的。時(shí)隙t=1時(shí)，在第q個(gè)子載波上，第一個(gè)天線陣列發(fā)射［q］的同時(shí)第二個(gè)天線陣列發(fā)射)［q］。在下一個(gè)時(shí)隙t=2時(shí)，第一個(gè)天線陣列發(fā)射 －［q］，同時(shí)第二個(gè)天線陣列發(fā)射［q］，其中(·)*的上標(biāo)表示共軛。再經(jīng)過IFFT轉(zhuǎn)換，并附加一個(gè)長度為C的循環(huán)前綴，在2個(gè)天線上這些幀被發(fā)送到基站(BS)。

圖1 多用戶STBC-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

位于基站和移動用戶間的衰落信道假定為準(zhǔn)靜態(tài)頻率選則性信道，最大延遲擴(kuò)展(P－1)≤C。每一個(gè)位于基站天線 m∈{1，2，…，Nr}和移動用戶 k的發(fā)射天線 n∈{1，2}之間的信道都是采用TDL(抽頭延遲線路)的信道模型，模型如下:，其中的是類似于在文獻(xiàn)［5］中提到Jake衰落模型中的路徑增益，且δ［·］是脈沖函數(shù)。在這里，本課題使用準(zhǔn)靜態(tài)衰落，假定忽略時(shí)間間隔t，并且使用路徑標(biāo)志p來標(biāo)明在符號周期單元的延遲擴(kuò)展。在基站對于完全同步來說，去除保護(hù)間隔CP后進(jìn)行FFT變換，解調(diào)信號在頻率范圍內(nèi)由以下給出:

2 STBC-OFDM系統(tǒng)的多用戶檢測算法分析

STBC-OFDM系統(tǒng)具有很好的性能，許多傳統(tǒng)的多用戶檢測方法都可以直接延伸使用，如ML算法，MMSE算法，改進(jìn)的MMSE算法、迭代多用戶檢測算法及基于均值的軟判決多用戶檢測算法等。

2.1 STBC-OFDM系統(tǒng)的MMSE多用戶檢測算法研究

定義用于解耦傳輸信號S(k)的線性綜合加權(quán)矩陣為:

在文獻(xiàn)［6］中W由下式給出:

此處 Λ =diag{Λ1，Λ2，…，Λk}為對角能量矩陣，而 Λk=I2;(·)H表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置，Iq是一個(gè)q×q的單位矩陣，且=E{|S(k)［q］|2}用戶k的平均傳輸信號功率。假定信道矩陣H是已知的，從(5)式中獲得W，每個(gè)用戶的判決統(tǒng)計(jì)量是通過線性聯(lián)合給出的:

2.2 STBC-OFDM系統(tǒng)的ML多用戶檢測算法研究

先給出信道矩陣H，使用ML方法檢測s等價(jià)于最小化下面的最大似然矩陣:

3 聯(lián)合MMSE-ML多用戶檢測算法的研究

3.1 聯(lián)合MMSE-ML多用戶檢測的系統(tǒng)模型

為了發(fā)揮ML-MUD的優(yōu)良性能，降低復(fù)雜度，把ML檢測算法的改進(jìn)應(yīng)用于MMSE-ML聯(lián)合檢測器中。STBCOFDM系統(tǒng)的聯(lián)合MMSE-ML多用戶檢測的結(jié)構(gòu)如圖2所示。檢測器的主要組成部分是在MMSE-MUD之后的MLPDP(基于ML的后向檢測處理器)。在這種聯(lián)合使用的檢測器中，來自于共道用戶的信號首先被MMSE檢測器檢測，然后反饋到ML-PDP檢測器。

ML-PDP檢測器通過一個(gè)高效低復(fù)雜度的算法來檢測經(jīng)過MMSE檢測器檢測的錯(cuò)誤率較高的信號輸出，將其修正以減少系統(tǒng)誤碼率。

圖2 聯(lián)合MMSE-ML多用戶檢測的結(jié)構(gòu)

對ML-PDP的概念的說明如下。MMSE-MUD的2Q個(gè)輸出的估計(jì)由(6)式確定。結(jié)果向量是一對BPSK的二進(jìn)制比特+1和－1。所知道的是這個(gè)二進(jìn)制數(shù)不是最理想的結(jié)果，如果這時(shí)再加上ML檢測，就能得到一個(gè)相對較好的檢測對。很明顯中的錯(cuò)誤數(shù)是很少的且它僅僅只在某些比特里發(fā)生錯(cuò)誤。因此，如果ML檢測能被應(yīng)用到，將會獲得一組等價(jià)于的集合。用a{i}表示集合a中的第i個(gè)元素，可以得到下面的結(jié)果:

3.2 ML-PDP 算法

基于前面部分中提出的帶有高錯(cuò)誤概率的比特評估檢測方法，總結(jié)出一種基于BPSK調(diào)制的ML-PDP算法，如下所示:

算法:

(3)從第二步得到2Q個(gè)γi的值，將第一個(gè)B也就是最小γi的值，賦給B。

(4)對步驟3中查找到的B比特應(yīng)用ML準(zhǔn)則，同時(shí)不改變其他的比特值。對于B比特的2B種可能的情形有2B種的組合方式。對于每一個(gè)的組合方式 l=1，2，…，2B，把它定義為，然后再計(jì)算

(5)在步驟4中獲得的γi的2B個(gè)值中找出最小的。結(jié)合最小的值γi選擇的組合作為ML-PDP的輸出。

這個(gè)算法也可以應(yīng)用到其他的調(diào)制類型，比如M-PSK或M-QAM。

然后計(jì)算 φi，j，j=1，2，…，2Nr，即計(jì)算:

此處φj在之前已經(jīng)計(jì)算過，且H{j，i}表示了H的第j行和第i列。

方法2:在步驟4中，不失一般性，本課題假設(shè)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的B bits位于步驟3中的，即中的1到B字節(jié)。定義:

利用下式來計(jì)算式(3.8)

3.3 算法仿真與性能比較

用以下的系統(tǒng)參數(shù)對這種檢測器的性能進(jìn)行仿真評估。本文所采用的算法仿真是建立在假定信道帶寬為1 MHz且是一個(gè)Q=256個(gè)載波的OFDM系統(tǒng)下進(jìn)行的。循環(huán)前綴CP的長度為40，假定比最大信道時(shí)延擴(kuò)展還要大。信道被假定為i.d.d(獨(dú)立同分布)，且在超過兩個(gè)連續(xù)時(shí)隙內(nèi)是靜態(tài)的。所有的信道狀態(tài)信息設(shè)為已知且功率相等。為了仿真衰落而使用Jake的帶有fD=25 Hz的最大多普勒頻移模型。

仿真結(jié)果分析:

由圖3所示的是對于2個(gè)用戶的2x4的信道，使用MLPDP改善了誤碼率性能?？梢钥闯?，ML-PDP的使用很大程度上的改善了MMSE－MUD的性能。通過使用ML-PDP，由于校正比特?cái)?shù)目的增加，ML-MMSE(稱為MMSE+PDP)檢測器性能的限制性降低了。

圖4比較了MMSE-MUD在僅使用1個(gè)糾錯(cuò)碼時(shí)的MLPDP和沒有使用ML-PDP時(shí)的2，3，和4個(gè)用戶環(huán)境下的性能。在圖中可以明顯的看出系統(tǒng)性能的改進(jìn)，特別是多用戶的情況下。這說明在一個(gè)多用戶STBC-OFDM系統(tǒng)中，聯(lián)合MMSE-ML MUD檢測要比MMSE-MUD檢測的誤碼率低的多。

圖3 2個(gè)用戶的2x4的信道使用ML-PDP的誤碼率

圖4 2x4信道，用戶K=2，3，4時(shí)的誤碼率性能

4 結(jié)論

本文通過分析STBC－OFDM系統(tǒng)的MMSE檢測算法和ML檢測算法，研究了將MMSE檢測算法和ML-PDP檢測算法相結(jié)合的多用戶聯(lián)合檢測算法，對其進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明MMSE-ML聯(lián)合檢測算法與MMSE檢測算法相比，計(jì)算量有所增加，但可以較大程度地提高檢測系統(tǒng)的誤碼性能，使系統(tǒng)的實(shí)用性得到很大的提高。

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