高鐵環境下MIMO-OFDM系統中的載波間干擾自消除

王軍華,焦戊臣,方勇

(上海大學通信與信息工程學院,上海 200444)

高鐵環境下MIMO-OFDM系統中的載波間干擾自消除

王軍華,焦戊臣,方勇

(上海大學通信與信息工程學院,上海 200444)

高鐵(high-speed train,HST)無線信道具有非平穩時變特性,針對高鐵環境下的多入多出-正交頻分復用(multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing,MIMO-OFDM)系統,提出一種載波間干擾(inter-carrier interference,ICI)自消除和迫零(zero forcing,ZF)均衡聯合算法.在接收端,利用循環前綴(cyclic prefix,CP)序列,對每個OFDM符號序列抽取子序列并線性平均加權以實現ICI自消除,然后再對新的ICI減小的OFDM符號序列采用ZF均衡算法進行均衡,最后通過硬判決檢測得到發送信號.仿真實驗表明,利用CP序列能有效減小ICI,從而提高載波干擾比(carrier-to-interference ratio, CIR).對于誤碼率(bit error rate,BER)性能,該聯合算法優于直接ZF均衡算法,能夠保證較好的通信質量.

高鐵信道;多入多出-正交頻分復用系統;載波間干擾自消除;迫零均衡

Key words:high-speed train channel;multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing(MIMO-OFDM)system;inter-carrier interference self-cancellation;zero forcing equalization

高鐵是一種快速軌道交通工具,速度在200 km/h以上,這就使得高鐵環境下的通信特性與陸地蜂窩通信特性大為不同,主要表現為以下幾點[1]:①高鐵大多數運行在城市郊區、鄉村地帶、丘陵、高架橋和隧道等特殊地貌,使得通信信道呈多樣化特征;②高鐵運行地域以空曠地帶占大多數,障礙物較少,因此存在較強的直射徑(line of sight,LOS),并且信道時延散射分量較少,是大信噪比環境;③列車行駛速度很快,使得存在較大的多普勒頻偏和快速頻偏.這些特征使得高鐵信道不僅是快速時變的,而且是非平穩的[2].由于正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)系統對時域選擇性相對敏感,且高鐵信道在一個OFDM符號周期內快速變化,從而破壞了載波間的正交性,引起載波間干擾(inter-carrier interference,ICI),可能導致OFDM系統的誤碼率(bit error rate,BER)性能急劇下降.

關于ICI的消除,目前已有廣泛的研究.由于ICI自消除方法的復雜度比其他方法要低[3],使得ICI自消除研究得到了廣泛關注.ICI自消除方法的核心思想是,通過對發射信號和接收信號進行處理來實現ICI內部相互抵消[4-5].然而,本工作主要研究的ICI自消除方法是利用循環前綴(cyclic prefix,CP)來實現ICI自消除,然后再結合其他方法實現ICI的聯合消除.文獻[6]最先提出利用CP來實現ICI自消除,即利用CP序列在發射端安裝一個預處理器,在接收端安裝一個后處理器,并證明當CP序列中未被干擾部分的長度等于OFDM符號的長度時,可以完全消除ICI,最后針對CP序列長度的選取,給出了通用方案.隨后,文獻[3,7-9]提出各種啟發式合并權值方法來改進文獻[6]中發射端和接收端的兩個處理器.文獻[10]基于迫零(zero forcing,ZF)均衡算法提出了一種低復雜度的ICI消除方法.本工作利用CP序列,提出一種ICI自消除和ZF均衡聯合算法.在接收端,利用CP序列對每個OFDM符號序列抽取子序列并線性平均加權,以實現ICI自消除,然后再對新的ICI減小的OFDM符號序列采用ZF均衡算法進行均衡,最后通過硬判決檢測得到發送信號.

1 系統模型

設定一個有MT個發射天線和MR個接收天線的多入多出-正交頻分復用(multipleinput multiple-output orthogonal frequency division multiplexing,MIMO-OFDM)系統,每個OFDM符號包含N個載波.Xp(k)是第p(1 6 p 6 MT)個發射天線第k(0 6 k 6 N?1)個載波上的發送數據,經快速傅里葉逆變換(inverse fast Fourier transform,IFFT)后,第p個發射天線上的時域信號

在高鐵環境下,由于基站和列車之間的障礙物較為稀疏,從而存在一條較強的直射徑和若干條非直射徑(non-line-of-sight,NLOS),因此常常將高鐵信道建模為萊斯衰落信道[11].針對高鐵信道模型,文獻[12]給出了一個非平穩基于地理的概率模型(non-stationary geometry-based stochastic model,Non-Stationary GBSM),從基站第p個發射天線到高速列車第q(1 6 q 6 MR)個接收天線的離散時域信道沖激響應為

式中,

其中L,Kpq,fc,fmax,ts,rR,S分別為信道多徑數、萊斯因子、載頻、最大多普勒頻偏、抽樣間隔、列車行駛方向、散射體數,τpq為信號從第p個發射天線直接到第q個接收天線的傳輸時間,τpq,n1為信號從第p個發射天線經第n1個散射體反射后到第q個接收天線的傳輸時間,為第p個發射天線直射徑的到達角,為第n1個散射體到列車天線的到達角,ψn1為一個隨機相位,在[?π,π)內滿足獨立均勻同分布.

然后,在每個OFDM符號中插入CP,經上述非平穩GBSM高鐵信道傳輸至接收端.去CP后,接收端第q個接收天線上的時域信號表示為如下抽頭時延線性(tapped delay line, TDL)模型[13]:

式中,hp,q(n,l)為第p個發射天線到第q個接收天線之間信道第l條徑第n時刻的信道沖激響應,wq(n)為第q個接收天線上第n時刻的加性高斯白噪聲(additive white Gaussian noise, AWGN),其均值為0,方差為.

時域接收信號yq(n)經快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)后得到第q個接收天線上的頻域信號

將式(1)和(6)代入式(7),整理得

2 ICI自消除和ZF均衡聯合算法

在OFDM系統中,若通過插入CP來消除符號間干擾(inter-symbol interference,ISI),通常假設CP序列的長度大于信道最大時延,從而實現完全消除ISI.如假設CP序列長度為Ng,信道最大時延為L?1,則有Ng>L?1.由此可知,每個OFDM符號的CP序列中只有前L?1個數據受到前一個OFDM符號的干擾,后Ng?L+1個數據沒有受到干擾.大多數已有的研究和方法中沒有利用這后Ng?L+1個數據,造成了一定的傳輸資源浪費.因此,一些學者[3,6-9]開始關注和研究如何利用這段未被干擾的數據資源.本工作利用CP序列,提出一種ICI自消除和ZF均衡聯合算法.在接收端,利用CP序列中未被干擾的序列對每個OFDM符號序列抽取子序列,并線性平均加權以實現ICI自消除,然后再對新的ICI減小的OFDM符號序列采用ZF均衡算法進行均衡,最后通過硬判決檢測得到發送信號.

2.1 ICI自消除過程

對于接收端,第q個接收天線上收到的時域信號序列為

其中每個元素可表示為yq(n),?Ng6 n 6 N?1.由于yq中的前L?1個數據已被前一個OFDM符號干擾,故從除去前L?1個數據后的剩余數據中抽取由相鄰N個數據組成的時域子序列(見圖1).所有子序列(共Ng?L+2個)如下:

圖1 接收端抽取時域子序列Fig.1 Extracting time-domain subsequences at the receiver

然后,線性平均加權合并上述頻域子序列,便得到一個新的ICI減小且長度為N的OFDM符號序列Zq,其中的每個信號可表示為

式中,D=Ng?L+1.聯合式(1),(11),(12)和(13),Zq(k)可整理為

比較式(10)和(14)可以發現,期望信號項系數相等,而ICI項系數不等.并且證明得出式(14)中的ICI項系數小于式(10)中的ICI項系數,即有

2.2 ZF均衡過程

成功消除ICI后,采用ZF均衡器對接收序列進行均衡.為求得對應的均衡器,采用矩陣形式進行表述.設第p個發射天線上的發送數據序列Xp=[Xp(0),Xp(1),…,Xp(N?1)]T,傅里葉變換矩陣為F(維數為N×N),傅里葉逆變換矩陣為FH,則第p個發射天線上的時域發射序列為

假定從第p個發射天線到第q個接收天線對應的時域信道矩陣為

則接收端第q個天線上接收到的時域序列為

經傅里葉變換后,第q個天線上接收到的頻域序列為

將式(19)和(21)代入式(22),則式(22)可寫為

令Mp,q=FHp,qFH,則式(23)可簡寫為

最后,通過硬判決檢測出發送數據序列.

在此簡要剖析一下本工作提出的聯合算法的有效能力.本聯合算法的關鍵與核心之處在于循環前綴長度的選取,CP越長,消除能力越強.而實際CP長度的選取與信道多徑最大時延有直接關系,故本聯合算法性能的好壞與CP長度的選取密切相關,與傳輸速率關聯不大.而CP長度的選取指標與信道多徑最大時延密切相關.

3 實驗仿真

下面通過實驗仿真證明本工作提出的ICI自消除和ZF均衡聯合算法(以下簡寫為CPZF聯合算法)對高鐵環境下MIMO-OFDM系統中的ICI有較好的消除能力.實驗采用的高鐵信道模型是非平穩GBSM[12],并且用載波干擾比(carrier-to-interference ratio,CIR)來衡量ICI對期望信號的干擾程度,其中CIR是期望信號功率與ICI功率之比.系統仿真參數如表1所示.信道多徑數通常為2～8,實際通常選取CP長度為信道多徑最大時延的4倍.由于接收端采用的接收模型是抽頭時延線性模型,且最大時延離散化為L?1,故當前符號的CP序列受前一符號的干擾深度為CP的前L?1個.首先仿真驗證采用CP序列中未被干擾的序列來自消除ICI的消除效果.設期望信號載波為k=0,當列車速度變化時,期望信號功率和ICI功率以及對應的CIR值的變化特性曲線如圖2和3所示.

表1 系統仿真參數Table 1 Simulated system parameters

經過上述對期望信號功率、ICI功率和CIR的仿真與分析,進一步驗證本工作提出的CPZF聯合算法對應的誤碼率(bit error rate,BER)性能(見圖4和5).基于表1系統仿真參數的基礎上,圖4為假設信噪比(signal noise ratio,SNR)為13 dB時,BER隨列車速度的變化曲線;圖5為假設列車速度分別為300,400和500km/h時,BER隨SNR的變化曲線.

圖2 車速變化時期望信號功率和ICI功率的變化曲線Fig.2 Desired signal power and ICI power curves when the train speed changes

圖3 CIR隨車速的變化曲線Fig.3 CIR curves when the train speed changes

圖4 BER隨車速的變化曲線Fig.4 BER curves when the train speed changes

圖5 BER隨SNR的變化曲線Fig.5 BER curves when SNR changes

從圖4中可以看出,所提出的CP-ZF聯合算法對應的BER性能明顯優于標準MIMOOFDM系統和ZF均衡方法.由圖5的進一步仿真可知,所提出的CP-ZF聯合算法的BER明顯低于標準MIMO-OFDM系統和ZF均衡方法.可見,所提出的CP-ZF聯合算法能有效降低BER,從而保證較好的通信質量.

4 結束語

針對高鐵非平穩時變信道下MIMO-OFDM系統中的ICI問題,本工作提出了一種ICI自消除和ZF均衡聯合算法.在接收端,利用CP序列中未被干擾的序列,對每個OFDM符號序列抽取時域子序列并進行FFT變換后再線性平均加權,從而實現ICI自消除;然后再對新的ICI減小的OFDM符號序列采用ZF均衡方法進行均衡,最后通過硬判決檢測得到發送信號.通過實驗仿真表明:利用CP序列中未被干擾的序列能有效減小ICI,從而提高CIR.對于BER性能,由仿真結果可以看出,所提出的CP-ZF聯合算法優于直接ZF均衡算法,能夠保證較好的通信質量.

[1]Liu L,Tao C,Qiu J H,et al.Position-based modeling for wireless channel on high-speed railway under a viaduct at 2.35 GHz[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2012, 30(4):834-845.

[2]Ghazal A,Wang C X,Haas H,et al.A non-stationary MIMO channel model for high-speed train communication systems[C]//12th International Conference on ITS Telecommunication. 2012:7-11.

[3]Ma C Y,Liu S W,Huang C.On optimum segment combining weight for ICI self-cancellation in OFDM systems under doubly selective fading channels[C]//Vehicular Technology Conference (VTC Spring).2012:1-5.

[4]Zhao Y P,H¨aggman S G.Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobile communication systems[J].IEEE Transactions on Communications,2001,49(7):1185-1191.

[5]Ma J,Orlik P V,Zhang J Y,et al.Reduced-rate OFDM transmission for inter-subchannel interference self-cancellation over high-mobility fading channels[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2012,11(6):2013-2023.

[6]Chang M X.A novel algorithm of inter-subchannel interference self-cancellation in OFDM systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2007,6(8):2881-2893.

[7]Sheu C,Tseng M,Chen C,et al.A low-complexity concatenated ICI cancellation scheme for high-mobility OFDM systems[C]//Wireless Communications and Networking Conference.2007: 1389-1393.

[8]Sheu C,Liu J W,Huang C.A low complexity ICI cancellation scheme with multi-step windowing and modified SIC for high-mobility OFDM systems[C]//Vehicular Technology Conference. 2010:1-5.

[9]Faulkner M,Wilhelmsson L,Svensson J.Low-complex ICI cancellation for improving doppler performance in OFDM systems[C]//Vehicular Technology Conference.2006:1-5.

[10]Hsu C,Wu W R.Low-complexity ICI mitigation methods for high-mobility SISO/MIMOOFDM systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(6):2755-2768.

[11]3GPP.Release 6.TS 22.105 V6.2.0 3rd generation partnership project,technical specification group services and system aspects,service aspects;services and service capabilities[S].Nice: 3GPP,2003.

[12]Ghazal A,Wang C X,Haas H,et al.A non-stationary geometry-based stochastic model for MIMO high-speed train channels[C]//12th International Conference on ITS Telecommunications.2012:7-11.

[13]Jeon W,Chang K,Cho Y.An equalization technique for orthogonal frequency division multiplexing system in time-variant multipath channel[J].IEEE Transactions on Communications, 1999,47(1):27-32.

附錄A

式(18)的證明過程如下:分別重寫式(10)和(14)中的ICI項系數

比較式(A3)和(A4)可知,若想證得Gp,q(m,k)>(m,k),只需證得Q(m,l)>Q′(m,l).具體證明過程如下:由式(2)可知,高鐵環境下的信道沖擊響應

為ICI因子,則F直接決定了Q(m,l)與Q′(m,l)的大小關系.當D趨于N?1時,即

Inter-carrier interference self-cancellation for MIMOOFDM systems in high-speed train environment

WANG Jun-hua,JIAO Wu-chen,FANG Yong
(School of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Wireless communication channels for high-speed train(HST)systems are nonstationary and time-varying.A joint algorithm of inter-carrier interference(ICI)selfcancellation and zero forcing(ZF)equalization is proposed for multiple-input multipleoutput orthogonal frequency division multiplexing(MIMO-OFDM)systems used in the HST environment.At the receiver,cyclic prefix(CP)and linear weight average,and combing the subsequences extracted from each OFDM symbol are used to achieve ICI selfcancellation.The new OFDM symbol with ICI reduced is equalized by ZF equalization. The transmitted signal is then obtained by hard decision.Simulation results show that ICI can be effectively reduced by using CP,and the carrier-to-interference ratio(CIR)is raised.Besides,the proposed algorithm outperforms the ZF equalization method in terms of bit error rate(BER),and therefore ensures better quality of communications.

TN 929.52

A

1007-2861(2015)05-0536-11

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.016

2014-09-03

國家自然科學基金資助項目(61271213);教育部博士點基金資助項目(20133108110014)

方勇(1964—),男,教授,博士生導師,博士,研究方向為通信信號處理、盲信號處理和智能信息系統. E-mail:yfang@staff.shu.edu.cn