引入MIMO技術的單載波頻域均衡系統

白巍巍,宋志群,徐 信

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

為了在移動條件下進行的高速數據傳輸的同時,提高系統的頻譜利用率,SC-FDE和MIMO等技術成為了目前無線通信領域研究的熱點。其中,SC-FDE不同于傳統的單載波系統,它在頻域對信號進行均衡,通過引入高效的FFT算法,使計算復雜度大為降低,減小了均衡器的結構復雜度,并且可以獲得與OFDM相近的抗多徑能力;而MIMO復用技術則是在不同的天線上發射包含不同信息的信號以達到提高系統頻譜利用率的目的。

1 SC-FDE系統結構

傳統的單發單收SC-FDE系統中,在發送端,輸入比特數據先進行符號調制,在插入長度為Ng的循環前綴(CP)以后,形成長度為N+Ng的數據分組,經脈沖成形后送入信道;在接收端,同步以后的數據首先去掉循環前綴,然后將數據分組變換到頻域,在頻域進行均衡后再恢復到時域,就可以在時域對均衡后的數據進行檢測,估計出發送的比特信息。其中,加入CP的目的是為了對抗多徑信道造成的符號間干擾;因此,CP的長度必須大于等于對接收性能產生不可忽略影響的信道最大多徑時延的長度。

SC-FDE系統要在頻域進行均衡,首先需將整個信號帶寬劃分為若干個子帶,這是通過接收端的FFT實現的;其次,需將時域內信號與信道多徑沖激響應之間的線性卷積關系,轉化為頻域內子帶信號分量與信道頻域響應之間的點乘關系,以便于在頻域內使用單抽頭的頻域均衡器進行均衡,這是通過在發射端對信號進行分塊并加入CP實現的。

在簡述了SISO+SC-FDE系統原理的基礎上,再給出引入MIMO技術的SC-FDE系統,即MIMO+SC-FDE系統,該系統原理框圖如圖1所示。

圖1 MIMO+SC-FDE系統原理

此系統通過對原有的SISO+SC-FDE系統進行改進得到,單路數據的處理流程與SISO+SCFDE系統類似,這里不再贅述。需要強調的是,接收天線1和接收天線2接收到的信號R1和R2都是發射端2路信號經過信道后的混疊,如何從混疊的信號中獲得同步和信道估計,并對R1和R2進行均衡、檢測是本系統需要解決的主要問題。將在下一節中逐一討論這些問題。

2 MIMO+SC-FDE中的關鍵技術

2.1 MIMO復用方案

MIMO復用方案為:發射天線T1和T2分別在同一個發射頻率上同時發射包含不同信息的信號S1和S2,R1和R2則是2路信號經過信道后的混疊。利用S1和S2中的信道估計序列,分別估計出H1、H2、H3和H4,再利用它們對R1和R2進行均衡和檢測,以恢復發送數據S1和S2。

2.2 同步方法

為了從混疊的接收信號中獲得同步,設計了新的幀結構。在每幀的幀頭,天線1發送導頻序列時,天線發送全0信號;待天線1發送完導頻序列后,開始發全0信號,天線2則開始發送導頻序列;當天線2發送完導頻序列后,天線1和天線2各自同時開始發送包含不同信息的信號。這樣,由于導頻序列的發送采用時分復用(TDM)方式,可利用與SISO+SC-FDE系統相同的方法,通過導頻序列獲得粗同步和初始的信道估計。由于脈沖成形波形為T/2交疊升余弦波形,細同步可以通過文獻[2]中介紹的分組遲早門法獲得。

2.3 信道估計方法

為了進行頻域均衡,每根接收天線需要估計出2路信道的信息,2根天線共需要估計出4路信道的信息。為了使每根接收天線能夠估計出2個信道,可以使用頻域相移正交訓練序列信道估計方法。具體方法是:2個物理天線分別同時發送頻域相移正交的2個用于信道估計的訓練序列CE1和CE2,發送時需發送訓練序列的時域序列,并加入循環前綴。設序列V=FFT(CE1),則信道估計算法結構示意圖如圖2所示。

圖2 信道估計算法原理

2.4 頻域均衡算法

頻域均衡就是直接使用信道估計算法估計出的信道頻域響應的幅度和相位對頻域內的子帶信號進行幅度和相位糾正,從而提高系統抗頻率選擇性衰落能力的一種均衡方法,通常使用單抽頭均衡器即可完成子帶信號的均衡。常用的均衡算法有2種。

2.4.1 迫零(ZF)均衡

為了便于算法說明,以頻域信號之間的關系進行描述。假設S1和S2為發送信號的頻域表達式,H1、H2、H3、H4為對應的頻域信道沖激響應,R1和R2分別表示天線1和天線2接收信號的頻域表達式。信號的矩陣表達式為:

可得:

2.4.2 最小均方誤差(MMSE)均衡

迫零均衡雖然簡單,但沒有考慮噪聲對接收信號的影響,抗噪聲性能差,在深衰落位置有較強的噪聲放大作用。因此,有必要采用新的算法抵消噪聲的影響,提高系統的抗噪聲性能。先假設均衡器的抽頭為C,接收信號R=HS+n,n為加性高斯白噪聲。要滿足最小均方誤差準則,則需C*可推導得到:

3 性能仿真

選取的仿真系統參數為:系統帶寬10 MHz;符號采樣頻率fs=1/Ts=B/2=5 MHz;調制方式為QPSK;成形波形為T/2交疊升余弦;每幀的數據長度6.272 ms。采用COST207模型中的鄉村環境信道,有4條多徑,第 2徑、第3徑和第 4徑的時延分別為 0.2 μ s,0.4 μ s 和 0.6 μ s,多徑信道功率時延剖面滿足瑞利分布。噪聲為加性高斯白噪聲,FFT運算點數為256。分別給出上節所述的ZF均衡算法和MMSE均衡算法的誤碼率曲線如圖3所示。由于幀長較短,每幀經過的瑞利信道不具有各態歷經性;所以,給出的誤碼率曲線是經過100次運算后的統計平均值。從仿真結果可以看出,在誤比特率在10e-3時,MMSE算法相較ZF算法系統性能提高了約2 dB。

圖3 ZF算法和MMSE算法的仿真性能比較

4 結束語

單載波頻域均衡系統具有較強的抗多徑能力和較低的復雜度,并且相較于OFDM系統具有PAPR低的特點,在引入MIMO復用技術后,極大地提高了系統的頻譜利用率,在未來的無線通信領域具有很好的發展前景。但是,對信噪比的要求過高大大限制了它在實際工程中應用;在接下來的工作中,需要研究更好的均衡算法(例如判決反饋均衡算法),將系統在誤比特率10e-3時的所需信噪比下降到20 dB左右。

[1]尹長川,羅 濤,樂光新.多載波寬帶無線通信技術[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.

[2]徐 信,劉利強,宋志群.抗多徑符號定時同步裝置[P].中國:200810079997.9,2008.

[3]LI Y.Simplified Channel Estimation for OFDM Systems with Multiple Transmit Antennas[J].IEEE Transactionson Wireless Communications,2002(1):67-75.