吳世奇

(中國西南電子技術(shù)研究所,四川 成都 610036)

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一種基于STBC的SC-FDE系統(tǒng)雙天線聯(lián)合檢測算法*

吳世奇

(中國西南電子技術(shù)研究所,四川 成都 610036)

針對雙發(fā)雙收的基于空時(shí)分組編碼的單載波頻域均衡(STBC-SC-FDE)系統(tǒng)，研究了一種雙天線聯(lián)合檢測算法，通過信道估計(jì)、導(dǎo)頻干擾消除、加權(quán)聯(lián)合均衡等過程重構(gòu)發(fā)送的信息。并根據(jù)信噪比對頻域信號與均衡矩陣進(jìn)行加權(quán)處理，使聯(lián)合檢測算法適用于2路接收信號信噪比不同的情況。仿真結(jié)果表明，所提出的雙天線聯(lián)合檢測算法在SUI-3信道下最大可獲得約8dB的接收分集增益。與時(shí)域最大比合并(MRC)算法相比，由于采用聯(lián)合檢測，該算法能有效改善系統(tǒng)在多徑衰落信道下的誤碼率。

聯(lián)合檢測；空間分集；加權(quán)聯(lián)合均衡；空時(shí)分組編碼；單載波頻域均衡

0 引 言

在寬帶無線通信系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)與SC-FDE技術(shù)都是目前的重要研究方向，從提高頻譜利用率和提高傳輸可靠性兩個不同的角度，MIMO系統(tǒng)可分為空間復(fù)用系統(tǒng)和空間分集系統(tǒng)兩大類。在頻率選擇性信道中，MIMO系統(tǒng)可以通過頻域均衡技術(shù)來降低ISI的影響[1]。SC-FDE技術(shù)具有抗多徑與峰均比較小等優(yōu)點(diǎn)，兩者結(jié)合構(gòu)成的MIMO-SC-FDE系統(tǒng)成為了近年來的研究熱點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。

空時(shí)編碼技術(shù)是MIMO系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，最早由Bell實(shí)驗(yàn)室提出，目前常用的空時(shí)編碼有分層空時(shí)碼(LSTC)、空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC)、空時(shí)分組碼(STBC)等。LSTC只有復(fù)用增益，無分集增益，譯碼復(fù)雜度一般；STTC同時(shí)具有分集增益與復(fù)用增益，但譯碼復(fù)雜度很高；STBC只有分集增益，無復(fù)用增益，譯碼較簡單。針對獲取空間分集增益的系統(tǒng)，STBC是最佳選擇。

文獻(xiàn)[4]首次將SC-FDE技術(shù)與基于Alamouti結(jié)構(gòu)的STBC相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩種方案的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]證明了在該系統(tǒng)中采用Chu序列作為訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)的最優(yōu)性。文獻(xiàn)[6]給出了該系統(tǒng)基于MMSE準(zhǔn)則的均衡算法。然而上述文獻(xiàn)均是在兩發(fā)一收條件下針對STBC-SC-FDE系統(tǒng)進(jìn)行的研究，對于兩天線接收系統(tǒng)，如何在兩天線接收信號信噪比不一致的情況下進(jìn)行聯(lián)合信號檢測是一大難點(diǎn)，在已有文獻(xiàn)中還沒有關(guān)于這方面研究成果的論文，而這正是本文要解決的問題。

1 基于STBC的SC-FDE信號模型

SC-FDE信號是分塊傳輸?shù)?，?dāng)信號經(jīng)過多徑信道后，會產(chǎn)生符號間干擾(ISI)，為了消除ISI，需要在時(shí)域插入保護(hù)間隔結(jié)構(gòu)，稱為循環(huán)前綴(CP)。SC-FDE基本原理是：在發(fā)送端串行輸入信號經(jīng)過調(diào)制器將數(shù)據(jù)碼流映射到信號的星座上，插入CP，成形濾波后經(jīng)過無線信道傳輸；在接收端接收信號進(jìn)行載波同步、定時(shí)同步以及去除CP后，經(jīng)過FFT變換到頻域，進(jìn)行頻域均衡，再經(jīng)過IFFT變換到時(shí)域，進(jìn)行符號判決后得到解調(diào)數(shù)據(jù)。SC-FDE系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 SC-FDE系統(tǒng)原理框圖

Alamouti碼是當(dāng)前最常用的STBC碼，已納入IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，同時(shí)Alamouti碼也是第一種在發(fā)射天線數(shù)為2的系統(tǒng)中提供完全分集增益的STBC，其編碼方式如下：

假設(shè)發(fā)送端采用M進(jìn)制調(diào)制方案，首先調(diào)制每一組m個信息比特(m=log2M)。然后在每一次編碼操作中取兩個調(diào)制符號s0和s1分組，按下面編碼矩陣映射到發(fā)射天線：

(1)

由于SC-FDE系統(tǒng)是基于塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸?shù)模云浒l(fā)射分集方案不能直接應(yīng)用Alamouti提出的空時(shí)分組碼編碼，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，基于STBC的雙天線發(fā)射SC-FDE系統(tǒng)可采用如圖2所示的信號發(fā)射方式。

圖2 基于STBC的SC-FDE系統(tǒng)信號模型

(2)

2 雙天線聯(lián)合檢測算法

文獻(xiàn)[6]提出了兩發(fā)一收情況下的MMSE均衡算法。對于雙天線接收系統(tǒng)，在實(shí)際使用過程中，空間遮擋會導(dǎo)致到達(dá)2根接收天線的射頻信號電平存在差異，經(jīng)過接收機(jī)AGC電路后，會出現(xiàn)2路AD采樣信號幅度相同但信噪比不同的情況。通常的做法是對兩路信號進(jìn)行時(shí)域MRC合并[7]，此時(shí)2路接收信號需要分別單獨(dú)進(jìn)行均衡處理，無法充分利用兩路信道估計(jì)信息。為此，本文進(jìn)一步研究了接收信號信噪比不同條件下的雙天線聯(lián)合檢測算法。

2.1 信道估計(jì)

在MIMO-SC-FDE系統(tǒng)中，接收端的均衡檢測需要信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation，CSI)，信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確與否對接收端解調(diào)譯碼性能影響很大，需要在接收端通過信道估計(jì)提供準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。LS信道估計(jì)算法原理如圖3所示：

圖3 信道估計(jì)處理框圖

設(shè)時(shí)域信道沖擊響應(yīng)長度為L，則接收天線i與發(fā)射天線j之間的時(shí)域信道沖擊響應(yīng)向量為：

(3)

接收天線i收到的長度為M的導(dǎo)頻序列為：

ri=Chi1p1+Chi2p2+ni

(4)

將ri進(jìn)行M點(diǎn)的FFT變換到頻域得：

Ri=FChi1p1+FChi2p2+Fni=FChi1F-1Fp1+FChi2F-1Fp2+Ni=Λi1P1+Λi2P2+Ni

(5)

其中，Λij=FChijF-1，F(xiàn)為歸一化FFT變換矩陣，即Λij是由hij進(jìn)行M點(diǎn)FFT變換所得元素構(gòu)成的M維對角矩陣。P1,P2為導(dǎo)頻序列p1,p2的頻域形式，Ni為頻域噪聲。

將Ri進(jìn)行變形可得：

(6)

(7)

2.2 導(dǎo)頻干擾消除

(8)

其中,Chij(i,j=1,2)是由時(shí)域信道沖擊響應(yīng)hij構(gòu)成的(N+M)×(N+M)維循環(huán)卷積矩陣。

令ψ變換為：

(9)

對k+1時(shí)刻接收到的信號先取共軛，然后進(jìn)行ψ變換，得：

(10)

再進(jìn)行FFT變換到頻域：

(11)

其中，Λij=FChijF-1是由hij進(jìn)行N+M點(diǎn)的FFT變換所得元素構(gòu)成的N+M維對角矩陣。

根據(jù)上述推導(dǎo)，利用估計(jì)得到的信道狀態(tài)信息，可將頻域信號中的導(dǎo)頻干擾項(xiàng)消除，消除導(dǎo)頻干擾的頻域信號為：

(12)

2.3 加權(quán)聯(lián)合均衡

消除導(dǎo)頻干擾后的頻域信號可以表示為：

(13)

即：

Y=ΛS+N

MMSE均衡矩陣如下：

(14)

進(jìn)行頻域均衡：

(15)

上述接收處理算法適用于2根接收天線接收到信號的信噪比一致的情況。當(dāng)2路信號信噪比差異較大時(shí)，上述處理算法不僅不能獲得分集增益，而且還會使得合成信號的信噪比惡化。針對該情況，將接收處理算法做如下改進(jìn)：

先對消除導(dǎo)頻干擾后的頻域信號根據(jù)接收信號信噪比進(jìn)行加權(quán)處理，得到：

(16)

令SNRi為接收天線i接收信號的信噪比，則：

(17)

同時(shí)均衡矩陣相應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(18)

其中,I為(N+M)/2維單位矩陣。

3 性能仿真分析

采用Matlab軟件，對上述雙天線接收處理算法進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)設(shè)置如下：

(1)調(diào)制方式：QPSK；

(2)符號速率：5M；

(3)導(dǎo)頻長度：M=64；

(4)數(shù)據(jù)長度：N=448；

(5)仿真長度：10 000個Block；

(6)信道模型：AWGN / SUI-3。

SUI-3信道的最大多徑時(shí)延為900 ns，對于5M的符號率而言，時(shí)域信道沖擊響應(yīng)長度L=5，滿足M>2L的前提條件，誤碼率仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示：

圖4 AWGN信道誤碼率仿真結(jié)果

圖5 SUI-3信道誤碼率仿真結(jié)果

通過仿真可以看出，在SUI-3信道中，當(dāng)誤碼率小于10-2數(shù)量級時(shí)，本文提出的加權(quán)聯(lián)合均衡算法誤碼率性能明顯優(yōu)于時(shí)域MRC合并算法。在信噪比相同的條件下，基于STBC的SC-FDE雙收系統(tǒng)采用加權(quán)聯(lián)合均衡算法，相對于單收系統(tǒng)，在AWGN信道下可獲得約3 dB的接收分集增益，在SUI-3信道下最大可以獲得約8 dB的接收分集增益，并且在接收信號信噪比相差6 dB的情況下誤碼率仍明顯優(yōu)于單天線接收系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本文針對基于STBC的SC-FDE系統(tǒng)，在雙發(fā)雙收條件下提出了一種的雙天線聯(lián)合檢測算法，利用2路信道估計(jì)信息進(jìn)行聯(lián)合均衡，提高檢測準(zhǔn)確性，并根據(jù)信噪比對頻域信號與均衡矩陣進(jìn)行加權(quán)處理，以適應(yīng)2根天線接收信號信噪比不同的情況。通過Matlab仿真，STBC-SC-FDE系統(tǒng)采用該聯(lián)合檢測算法，在各種信噪比條件下均能獲得可觀的接收分集增益，并且在多徑衰落信道下誤碼率明顯優(yōu)于時(shí)域MRC合并算法，說明本文提出的雙天線聯(lián)合檢測算法能有效提高STBC-SC-FDE系統(tǒng)的接收性能，具有一定的實(shí)用性。

[1] 左曉晶，葛世超. STBC系統(tǒng)中卡爾曼均衡算法的仿真研究[J]. 通信技術(shù), 2011,44(6): 9-14. ZUO Xiao-jing，GE Shi-chao. Study on Kalman Equalization Algorithm of STBC Systems[J]. Communications Technology, 2011, 44(6):9-14.

[2] 李丹萍，劉毅，張海林. MIMO SC-FDE系統(tǒng)的時(shí)域信道估計(jì)新算法[J]. 通信學(xué)報(bào), 2011,32(2): 144-149.

LI Dan-ping, LIU Yi, ZHANG Hai-lin. Channel Estimation for MIMO SC-FDE Systems via Time-Domain based Approaches[J]. Journal on Communications, 2011, 32(2): 144-149.

[3] Hakam Mheidat, Murat Uysal, Naofal Al-Dhahir, et al. Single-Carrier Frequency Domain Equalization [J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2008,25(5):37-56.

[4] Naofal Al-Dhahir. Single-Carrier Frequency- Domain Equalization for Space-Time Block-Coded Transmissions over Frequency-Selective Fading Channels[J]. IEEE Communications Letters, 2001, 5(7): 304-306.

[5] 張靜, 酆廣增. 頻率選擇性信道下單載波空時(shí)分組編碼傳輸系統(tǒng)中的信道估計(jì)技術(shù)[J]. 通信學(xué)報(bào), 2006,27(5): 90-94. ZHANG Jing, FENG Guang-zeng. Channel Estimation in Single-Carrier Systems with Space-Time Block Coded Transmission over Frequency-Selective Fading Channels[J]. Journal on Communications, 2006,27(5): 90-94.

[6] 王杰令，劉祖軍，田紅心等. STBC塊傳輸系統(tǒng)中的一種新型分集合并算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2010,32(8): 2010-2014. WANG Jie-ling,LIU Zu-jun,TIAN Hong-xin,et al.A Novel Diversity Algorithm in STBC Block Transmission System[J].Journal of Electronics and Information Technology, 2010,32(8): 2010-2014.

[7] 高建豐，李光球. 相關(guān)Nakagami衰落信道上DE-QPSK性能分析[J]. 通信技術(shù), 2012,45(5): 20-25. GAO Jian-feng,LI Guang-qiu. Performance Analysis of DE-QPSK over Correlated Nakagami-m Fading Channels [J]. Communications Technology, 2012,45(5):20-25.

A Novel Joint Detection Algorithm of Dual-Antennas in STBC-SC-FDE System

WU Shi-qi

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu Sichuan 610036, China)

Aiming at STBC-SC-FDE (STBC-based Single Carrier Frequency Domain Equalization) system with two transmissions and two receiver antennas, a joint detection algorithm of dual antennas is proposed. The transmitted data is reconstructed through several processing algorithms, including channel estimation, pilot interference mitigation and weighted joint equalization. By weighted processing of frequency domain signal and equalization matrix based on SNR, the joint detection algorithm is available when SNR of two-way received signals are different. Simulation results show that the proposed dual-antenna detection algorithm could achieve about 8db diversity gain in in maximum SUI-3 channel. And as compared with time domain MRC (Maximal-Ratio-Combining) algorithm, the proposed algorithm could effectively reduce BER in multi-path fading channel via joint detection.

joint detection; space diversity; weighted joint equalization; STBC; SC-FDE

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.008

2015-01-04；

2015-04-04 Received date:2015-01-04；Revised date：2015-04-04

TN911.5

A

1002-0802(2015)05-0546-05

吳世奇(1983—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閷拵ㄐ畔到y(tǒng)與軟件無線電。