《武汉工程大学学报》 2012年3期
56-59
出版日期：2012-03-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
涡轮编码迭代检测在多输入多输出\|正交频分复用
系统中的应用
0引言 多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,以下简称： MIMO）技术即多付天线技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，是一种能够有效提高衰落信道容量的新技术. 正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 以下简称： OFDM）技术是一种多载波传输技术，常用于抗频率选择性衰落或抗窄带干扰.由于OFDM 对多径时延具有较强的鲁棒性且频谱利用率较高，因而在无线时变信道中比单载波系统更能实现高速数据的传输［1］.但是，为了进一步增加系统容量、提高系统传输速率，单纯使用OFDM技术的宽带无线通信手段需要大量增加子载波的数量，而这种方法会大幅增加系统的复杂度，并大量占用系统带宽，势必很难适应带宽和功率有限的无线局域网应用环境［2-3］.OFDM技术可以在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，因此将MIMO技术与OFDM技术相结合可以实现在频率选择性衰落信道中提高频谱利用率，例如BLAST(Bell-Labs Layered Space Time)-OFDM.但是传统系统多采用空时编码技术（Space Time Block Code,以下简称：STBC），而STBC属于空间分集，所以一般要求发射和接收天线间距应适当拉开，确保各天线信号之间的独立性，利用多散射体所造成的多径来消除频率选择性衰落.而空频编码技术（Space Frequency Block Code,以下简称：SFBC）不仅仅利用了空间分集，还应用了频率分集，因此比STBC性能更优越.所以该系统主要将SFBC与BLAST-OFDM系统相结合. BLAST-OFDM系统在无散射区域或者高速的移动环境中，性能会受到很大的制约.另外，在相干的无线通信系统中，一般需要利用信道的状态信息对信号进行检测，所以信道的估计非常重要.Turbo码又叫并行级联卷积码，由CBerro等人在1993年首次提出.Turbo码编码器译码过程类似涡轮工作，所以又形象的称为Turbo码.而对于Turbo编码V-BLAST MIMO OFDM 系统，传统的结构是在通信系统的两端直接加上Turbo编码和Turbo译码，即对每一帧信号直接进行Turbo译码得到信息位.这种方法所获得的系统性能增益完全是由Turbo编译码带来的，而信道估计对系统的性能改善没有任何贡献，当信道变化很快时，这种方法的性能会很差［4］.因些，本文提出一个更为有效的Turbo-BLAST方法，即使是在无散射区也能实现多路传输和提高信道的容量；而且利用Turbo码运算法则实现循环纠错，以便在高速移动的环境中抵抗快速衰减.1空频Turbo\|BLAST发射单元 图1是一个基于SFBC编码的M个发射天线、N个接收天线的MIMO-OFDM系统.基带信号首先进入扰码器，形成一个周期序列.然后经过交织处理和QPSK调制，转换成信号星座集中的信号，再通过SFBC编码后经天线发射出去.为了提高系统性能，降低系统误包率，经过扰码后的比特流，要进行前向纠错编码，这里采用一个递归型编码速率为R=1/2的卷积编码器.比特流经过卷积编码器后生成一个码组ck（k=1,2，3，…，K，K是所有码组的个数）.信号经过QPSK调制器后,第n个OFDM符号向量为d(n)=［d(n,0) d(n,1)…d(n,K-1)］T，
式中d(n,k)表示第n个OFDM符号的第k个子载波数据.图1基于SFBC技术的 MIMO\|OFDM发射机结构图
Fig.1Transmitter structure diagram for MIMO\|
OFDM basing on SFBC第3期程莉，等：涡轮编码迭代检测在多输入多输出\|正交频分复用系统中的应用
武汉工程大学学报第34卷
由于SFBC编码是利用M个天线进行发射的,频率在i和i+1之间的编码符号可以表示为Sl=d1d2…dM-1dM
-d*2d*1…-d*Md*M-1T,（1）
式（1）中（·）T和（·）*表示转置矩阵和共轭矩阵，l=1,2，3，…,Nd，其中Nd=(Ni/R+Nt)/Nm，（2）
式（2）中Ni为发送信息比特的总数, R为码速率,Nt为上层比特数量,Nm为调制信号的秩. SFBC码组经过离散傅立叶变换成OFDM码组，作为不同的发射天线的信息数组.在接收信号端，经过二维傅立叶变化后可以得到Y=HXc+W，（3）
式（3）中Xc是两倍的SFBC码，W是附加性高斯白噪声向量.信道参数矩阵H可以设为H=h1,1…h1,M
hN,1…hN,M，（4）
式（4）中Hij表示第i个接收天线、第j个发射天线之间的信道频率响应. 在MIMO-OFDM系统中， 传统方法多使用STBC编码技术，但是保证STBC获得最大分集增益的假设是信道衰落为快平坦衰落信道（Block Flat Fading Channel）.而实际上，发射机是无法预知信道状态信息的，在快衰落信道中，STBC的性能受限于信道衰落速率.在多发射天线数目时，这一限制尤为突出.而SFBC在编码时一般要求，包含几个载波的一个码组在传输时信道的衰落频率响应保持近似相等，所以在快衰落信道中具有较好的性能.另外，在实际应用的OFDM系统中，在参数选择时，其字符周期远大于衰落信道的最大相对时延，这也为SFBC编码获得最大分集增益提供了保证.2Turbo\|BLAST结构的接收机基于Turbo码的迭代检测接收系统如图2所示，共包含了六个部分：OFDM解调单元、BLAST检测器、QPSK解调器、反交织处理器、最大后验概率（MAP）解码器和信号再生器.这里基于Turbo码，主要是利用Turbo码迭代的思想.接收信号经过天线接收后，首先进入到OFDM解调器中，实现信号的快速傅立叶变换， 将时域信息转换成频域信息；然后利用最大似然概率进行解码，解码后的信号在MMSE检测器中，根据信道的估计结果进行MMSE和软干扰抵消的迭代均衡算法，对频域信号进行估计.MMSE输出的软信息，经过QPSK解调后再进行解交织，而后送入MAP解调器中进行信道译码.MAP解调器采用对数似然概率，将前面的信息作为先验值送到外码译码器，从而估计发射信号的期望值.而SISO外码译码器除了会输出译码外，还将产生一个附加信息，译码再经过交织和QPSK调制反馈到检测器，完成一次迭代译码.如果不断重复上面的过程，就实现了多次迭代译码.将译码器估计出的发射信号均值，再进行一次QPSK调制和交织的过程称做是信号重组. 在BLAST检测器中，信道再根据对每一个载波频率的估计，对这些频域信号进行检测，而且如果在每一层都采用迫零（ZF）技术线性回零和符号抵消，那么就会实现有规律的连续的抵消干扰.用于SFBC编码的零矩阵可以写为Gc=(JHcJc)-1JHc，（5）
式（5）中(·）H表示共轭，而
Jc=hc1,1hc1,2…hc1,M-1hc1,M
hcN,1hcN,2…hcN,M-1hcN,M
h*c2,1-h*c1,1…h*c1,M-h*c1,M-1
h*cN,2-h*cN,1…h*cN,M-h*cN,M-1.（6） 输出值再经过QPSK解调器、反交织器和MAP解码器，进行反交织和解码.为了能进行迭代图2Turbo\|BLAST系统接收机结构图
Fig.2Receiver structure diagram for Turbo\|BLAST systems 检测，MAP检测器采用对数似然概率，计算发射信号的期望值.然后再利用被估计的发射信号在信号再生器中重建发射码信号.因此，BLAST检测器可以使用重建的信号去提高检测性能并不断的进行迭代. 总的来说该系统有以下特点： （1）在接收端利用迭代解码算法，继承了Turbo码的优点，同时也降低了发射端子数据流的复杂程度. （2）该系统在对每根天线的发射数据流进行迭代计算过程中，不需要进行伪逆，因此降低了系统检测算法的复杂度. （3）一般来说实际信道都会存在多径效应和多普勒频移，但是由于Turbo-BLAST系统是同时发送信号的，即使存在快衰落，每条路径上的信号也是不相关的，这也降低了译码器输入信号的相关性，从而获得了更大的分集增益，提高了译码性能. （4）另外由于系统采用两个独立的译码器，每个译码器对应一个分量编码器，因此对接收信号中的信道编码约束量和噪声来说，系统有独立的迭代解码过程.这样系统的纠错性能会随着接收端解码算法迭代次数的增加而逐渐增大.目前有很多参考文献研究关于在瑞利衰落信道下接收端进行迭代检测和解码的方法 ，如IDD方法［6-8］.3仿真结果 通过比较Turbo-BLAST技术与传统BLAST技术的包错误率来证明系统的有效性。试验中BLAST技术采用2×2天线阵列结构，Turbo-BLAST技术采用4×2天线阵列结构.系统为一个OFDM系统，有64个频率为2 GHz载波，其中每 8个为一个保护间隔.并且信道模型中有一个移动速度在60 km/h范围内所对应的延时.递归卷积编码器（RSC）的码速率为1/2，制约长度为4.且假设所估计的信道非常理想，收发两端时钟同步. 图3是不同计算方式下的包错误率（Packet error rate,以下简称：PER）与信噪比（Signal to Noise Rate,以下简称:SNR）曲线图.四种不同曲线分别代表不同计算方式情况下的不同结果：方框图形表示采用BLAST技术结构的曲线;圆形代表采用Turbo-BLAST技术,并且经过一次迭代(iteration 1)后的结果曲线;上三角表示Turbo-BLAST技术,并且经过两次迭代(iteration 2)后的结果曲线;下三角表示Turbo-BLAST技术,并且经过三次迭代(iteration 3)后的结果曲线.图3Turbo\|BLAST系统和BLAST系统包
错误率的性能比较
Fig.3Packet error rate comparison for Turbo\|
BLAST system and BLAST system 从图3中可以看出，在相同信噪比的情况下，有四个发射天线的Turbo-BLAST方式比有两个发射天线的BLAST方式有3dB的改进.级联系统通过三次迭代来表现采用Turbo码迭代算法的优势：当PER为10-2时，Turbo-BLAST系统比BLAST系统的信噪比提高了约12 dB；当PER为10-4时，提高了 7dB，而且2多次迭代比1次迭代又有1dB的改善，但是3次迭代与2次迭代没有太大的区别.因此，将Turbo码与BLAST系统相结合，在MIMO-OFDM系统中，有明显的优点，而且通过级联检测和解码也提高了接收信号的性能.4结语 将BLAST检测器和采用SFBC技术的MAP解调器相结合的Turbo\|BLAST迭化接收机,主要应用于MIMO-OFDM系统.计算机仿真结果表明：在快速频率选择MIMO通路方面，Turbo\|BLAST迭代检测技术要比传统的BLAST技术更加有效；而且，在无散射MIMO环境中，这两者中的差异将更加明显.参考文献：