第40卷第3期上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)VoL 40 No. 32006年3月JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY文章編號(hào):1006-2467(2006)03-0382-05編碼分組空時(shí)塊碼多人多出正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的迭代接收機(jī)樊迅,羅漢文,徐友云,黃建國(上海交通大學(xué)電子工程系,上海200240摘要:針對(duì)編碼分組空時(shí)塊碼( G-STBC)多入多出正交頻分復(fù)用( MIMO-OFDM)系統(tǒng),提出了種聯(lián)合MIMO檢測和信道譯碼的選代接收機(jī),其中MIMO解調(diào)器采用基于軟符號(hào)并行干擾消除(PIC)和瞬時(shí)最小均方誤差(MMSE)濾波的軟入軟出MIMO檢測算法,不僅適用于MPSK調(diào)制,也適用于MQAM調(diào)制、仿真驗(yàn)證了文中選代接收機(jī)在多徑衰落信道中的高效檢測能力.關(guān)鍵詞:多輸入多輸出;正交頻分復(fù)用;迭代接收機(jī);空時(shí)塊碼中圖分類號(hào):TN911.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAn Iterative Receiver for Coded group-WiseSpace-Time Block Coding MIMO-OFDM SystemsFAN Xun, LUO Han-wen, XU You-yun, HUANG Jian-guo( Dept. of Electronic Eng, Shanghai Jiaotong Univ, Shanghai 200240, China)Abstract: An iterative receiver combining multiple-input multiple-output (MIMo)detection and channeldecoding was proposed for coded group-wise space-time block coding (G-STBC) MIMO-orthogonal fre-quency division multiplexing (OFDM) systems. In the proposed receiver, a generalized MIMO detectionalgorithm based on soft interference cancellation and instantaneous MMSE filtering is proposed, which isapplicable to the cases with not only M-PSK modulation but also M-QAM one. The simulations demon-strate the efficient ability of the proposed receiver in multi-path fading channelsKey words: multiple-input and multiple-output (MIMO); orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); iterative receiver; space-time block code(STBC)編碼分組空時(shí)塊碼( G-STBC)多入多出測與信道譯碼的最大似然(ML)檢測,但是最優(yōu)聯(lián)(MIMO)-正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),綜合合檢測通常具有極大的復(fù)雜度而難于實(shí)現(xiàn).文獻(xiàn)[2]了信道編碼、空時(shí)發(fā)送分集、空分復(fù)用、OFDM等多中基于 Turbo原則,針對(duì)信道編碼的多用戶STBC項(xiàng)無線通信技術(shù)的特點(diǎn),可以在系統(tǒng)中接收天線數(shù)系統(tǒng)提出了一種迭代接收機(jī),其中MIMO檢測模塊少于發(fā)送天線數(shù)的情況下,進(jìn)行高頻譜效率的信息采用基于軟符號(hào)并行干擾消除(PC)和瞬時(shí)最小均傳輸,尤其適用于寬帶無線通信的下行鏈路針對(duì)該方誤差(MMSE)濾波的軟入軟出( SISO) MIMO檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu),接收端最優(yōu)的檢測方法是聯(lián)合MMO檢測算法該接收機(jī)可以通過MIMO檢測器和信道譯收稿日期:20050321基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60332030、60272079、60572157)國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2003AA123310)作者簡介:樊迅(1975-),男,江蘇南京人,博士生,主要從事MIMO中的信號(hào)檢測以及多用戶檢測的研究羅漢文(聯(lián)系人)男,教授博士生導(dǎo)師,電話(Te.):021-62932159;E-mail:luohanwen@hotmail.com,3期樊迅,等:編碼分組空時(shí)塊碼多入多出正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的選代接收機(jī)383碼器間的多次迭代以較低的復(fù)雜度逼近最優(yōu)聯(lián)合檢出了一種通用的基于軟符號(hào)PIC和瞬時(shí)MMSE濾測的性能但它是針對(duì)平衰落信道設(shè)計(jì)的,而且其中波的 SISO MIMO檢測算法,該算法不僅適用于的 SISO MIMO檢測算法只適用于MPSK調(diào)制.文MPSK調(diào)制,也適用于MQAM調(diào)制獻(xiàn)[冂]中針對(duì)頻率選擇性信道環(huán)境,提出了一種編碼G-STBC MIMO-OFDM系統(tǒng)的選代接收機(jī),通過對(duì)1系統(tǒng)模型文獻(xiàn)[2]中MIMO檢測器PIC的輸人進(jìn)行改進(jìn)獲得1.1發(fā)端結(jié)構(gòu)了更好的性能,但它也僅是針對(duì)BPSK和QPSK調(diào)如圖1所示,在編碼 G-STBC MIMO-OFDM制設(shè)計(jì)的系統(tǒng)發(fā)端,發(fā)送天線被分成K組,與之對(duì)應(yīng),系統(tǒng)本文提出一種針對(duì)編碼 G-STBC MIMO幀輸入的信息比特流也分為并行的K路.首先,對(duì)OFDM系統(tǒng)的迭代接收機(jī),它通過MIMO檢測器每一路輸入信息比特流{b(i)};進(jìn)行卷積編碼,編和信道譯碼器間外信息的交互和多次迭代,不斷地碼輸出的比特流{ad(j)}交織后輸入調(diào)制器進(jìn)行調(diào)改進(jìn)檢測的性能,最終由信道譯碼器輸出信息比特制.然后,調(diào)制輸出的符號(hào)流,以一個(gè)空時(shí)編碼周期的估計(jì)完成檢測.并且,在接收機(jī)關(guān)鍵模塊—MI內(nèi)的STBC編碼輸入符號(hào)數(shù)為單位進(jìn)行分塊,每塊MO檢測器的設(shè)計(jì)中,本文對(duì)文獻(xiàn)[2]中適用于經(jīng)過獨(dú)立的STBC編碼后,被映射到對(duì)應(yīng)的空時(shí)編MPSK調(diào)制的 SISO MIMO檢測算法進(jìn)行改進(jìn),提碼周期和子載波上(b(,(ce()交織器調(diào)制器b2(0交織器調(diào)制器/O)編碼器「“插入CP{b()卷積交織器調(diào)制器(CK(D3 STBCIFFT/編碼器編碼器i入圖1編碼 GSTBC MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)端結(jié)構(gòu)Fig. 1 The transmitter structure for a coded G- STBS MIMO OFDM system為了表述方便,下面以 Alamouti STBC編碼情同分布,且在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)保持不變.另外,假形為例進(jìn)行介紹.該編碼器可以通過如下的編碼矩設(shè)OFDM的循環(huán)前綴足夠長(大于多徑信道的最大陣表述3:延時(shí)擴(kuò)展).由于在這樣的系統(tǒng)中不存在子載波干擾(ICI)和符號(hào)間干擾(ISI),故可以針對(duì)不同OFDM(1)時(shí)隙和子載波建立獨(dú)立的信道模型,以第n個(gè)式中,{x1,x2}對(duì)應(yīng)一個(gè)空時(shí)編碼周期內(nèi)的2個(gè)編碼OFDM時(shí)隙第p個(gè)子載波為例,對(duì)應(yīng)的MIMO輸入符號(hào)編碼后,在空時(shí)編碼周期的不同時(shí)隙,對(duì)OFDM頻域離散基帶模型為應(yīng)矩陣行中的符號(hào)被發(fā)送.這樣,若系統(tǒng)中第k組調(diào)ym,p=H,prnptW.制輸出符號(hào)流中的一塊為{(1),c,(2)},經(jīng)過線上的頻域觀測值和加性高斯噪聲;NK維列向量Alamouti STbC編碼器編碼后,在第n個(gè)空時(shí)編碼x,對(duì)應(yīng)NK個(gè)發(fā)送天線上的頻域發(fā)送符號(hào);H周期的第1個(gè)時(shí)隙(或第1個(gè)OFDM符號(hào)間隔),在為MXNK的頻域信道矩陣,它的第v行以列元素第p個(gè)OFDM子載波上,通過第k組的2個(gè)天線同H可通過對(duì)對(duì)應(yīng)時(shí)域信道進(jìn)行傅里葉變換獲得,時(shí)發(fā)送符號(hào){c。(1),c(2)).類似地在第2個(gè)時(shí)隙發(fā)送{-c.(2),c.p(1)}.最后,STBC編碼器Hr;=∑()x(+1xp)(3)的輸出通過IFFT變換到時(shí)域并在插入循環(huán)前綴NcA為子載波數(shù),{h;"(),h”(r),…,h""(r)}(CP后通過N=2個(gè)發(fā)送天線發(fā)送出去為第n個(gè)OFDM時(shí)隙第u個(gè)發(fā)送天線和第v個(gè)接1.2信道模型收天線間L+1個(gè)獨(dú)立的時(shí)域多徑衰落.假設(shè)系統(tǒng)中任一收發(fā)天線對(duì)間的多徑信道獨(dú)立綜合信道模型式(2)和空時(shí)編碼約束式(1)的關(guān)34上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)第40卷系,可得第η個(gè)空時(shí)編碼周期第戶個(gè)子載波上頻域的隨機(jī)變量;觀測值與空時(shí)編碼輸入關(guān)系的輸入輸出模型:(3)在上述等效信道模型的推導(dǎo)中,并沒有使HmCm, p+n,(4)用STBC系統(tǒng)中通常所做的信道必須在一個(gè)空時(shí)編式中:rn,=[y2m-1(p),-y(p),y2n-1,2(p),碼周期保持不變的假設(shè),這使得基于本文推導(dǎo)的等y,2(p),…,ynx-1,M(p),-y2M(p)],ym(p)為效信道模型設(shè)計(jì)的接收機(jī)完全可以適用于信道在y(p)的第m個(gè)元素個(gè)空時(shí)編碼周期變化的情形Hi: ',(p)Hi: 2,(p). Hi: 21-(P)Hl-2K(p1.3迭代接收機(jī)結(jié)構(gòu)H2(p)H(p…-H(p)·H(p假設(shè)接收端已知信道狀態(tài)信息(CSI),編碼G- STBC MIMO-OFDM系統(tǒng)迭代接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖H1(p)H21(p)…H-(p)H(p2所示,接收機(jī)在前端去除CP和進(jìn)行FFT后,在頻(p增(p)”…-(p)理(p)」域通過 SISO MIMO解調(diào)器和K個(gè)并行的最大后驗(yàn)cn,=[c.,(1),c.(2),c2,(1),c2.,(2),概率(MAP)卷積譯碼器間的迭代進(jìn)行檢測,最后由c,(1),C,(2)]卷積譯碼器輸出信息比特的估計(jì).其中SISOc,(D對(duì)應(yīng)一個(gè)取自單位能量符號(hào)星座的調(diào)制符MMO解調(diào)器的輸入為M個(gè)接收天線上的頻域觀號(hào),表示第k組中第n個(gè)空時(shí)編碼周期第p個(gè)子載測值,以及K組MAP卷積譯碼器反饋的交織后編波上的第l個(gè)空時(shí)編碼輸入;n,中的元素為獨(dú)立同碼比特的外對(duì)數(shù)似然比(LR)《A[d()]},輸出分布的循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯隨機(jī)變量,均值為0,每實(shí)數(shù)為對(duì)應(yīng)編碼比特的后驗(yàn)LLR(A1[d(j)])…,第k維方差為N。/組MAP卷積譯碼器輸入為來自 SISO MIMO解調(diào)式(4)被稱為 G-STBC MIMO-OFDM的等效器的經(jīng)過解交織的編碼比特外LLR{[d(j)]},信道模型(簡稱等效信道模型),是MIMO檢測依賴輸出為對(duì)應(yīng)編碼比特的后驗(yàn)LLR{A2[dj)]},,以的基礎(chǔ)對(duì)于該等效信道模型,有幾點(diǎn)值得注意:及信息比特的后驗(yàn)LLR{A2[b(i)]}其中,(1)不同的空時(shí)編碼周期與子載波上的等效信4[d()]}減去對(duì)應(yīng)先驗(yàn)后產(chǎn)生編碼比特外道模型是獨(dú)立建模的,因此檢測可針對(duì)不同的模型LR{λ2[d4(j)]},交織后輸入 SISO MIMO解調(diào)獨(dú)立完成;器;LLR{A2[b4(i)]}僅在最后一次迭代輸出,通過2)由于發(fā)端交織器的使用,以及每組輸入比對(duì)其進(jìn)行硬判決,可得到最終信息比特的估計(jì)值特相互獨(dú)立的假設(shè),cn中的元素可被視為相互獨(dú)立Wild MAP Y2ld,(Y2l4g04(川卷積解碼器FFTA[b1(鹽P=回g“1a產(chǎn)MIMOA2[b(J解調(diào)器M川廠MAP4kmx小卷積解碼器A.bADJ圖2編碼G- STBC MIMO-OFDM系統(tǒng)迭代接收機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 2 The iterative receiver structure for a coded G-STES MIMO OFDM system2迭代檢測算法測可獨(dú)立進(jìn)行,考察第n空時(shí)編碼周期內(nèi)第p子載波上的等效信道模型(為表示簡單,略去下標(biāo)n,p):2.1 SISO MIMO檢測算法Hc+n(5)如前所述,不同空時(shí)編碼周期與子載波上的檢對(duì)應(yīng)的 SISO MIMO檢測可經(jīng)如下3步完成第3期樊迅,等:編碼分組空時(shí)塊碼多入多出正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的迭代接收機(jī)3852.1.1基于軟符號(hào)的并行干擾消除想,在MMSE濾波估計(jì)c時(shí),不使用與c對(duì)應(yīng)的反(1)根據(jù)反饋先驗(yàn)輸入計(jì)算待檢測符號(hào)的軟估饋先驗(yàn)(即假設(shè)cx的先驗(yàn)均值為0,平均能量為計(jì)和均方值,分別為E(lc|2)=1).這樣,可得≌E}=∑cPce=CElrci)= HEI(c-C)ci)= Hey (10)EIrrH)=HV,H+NoIE{c|2}=∑|c|2P{c=C式中:e為2K維列向量,其中第k個(gè)元素為1,其余式中k=1,2,…,2K;c表示c的第k個(gè)元素;元素為0為2M×2M的單位陣;v,cv{c-c,}Pc=C}表示c為符號(hào)星座ac中符號(hào)C的先驗(yàn)=diag{E(|c12)-1a12…,E(lcx=1|2)-|c4-1|2,概率第一次迭代,沒有反饋的先驗(yàn)信息可被利用,1,E(1d+:(2)-1+12,…,E(1cx12)-1cxl)令所有的P{c=C}等概對(duì)于后續(xù)迭代,P{c=由此可得C}通過下式計(jì)算:Cr=elH[HVH+NoI-Tr(12=C}=ⅡP{d,=D,}由于MMSE濾波輸出的干擾加噪聲可以很好地用一個(gè)零均值復(fù)高斯隨機(jī)變量建模,c可進(jìn)一步表expl. i(dr, 2(6)示為+expD. a2(dr )R=Acr+e(13)式中:K。為調(diào)制符號(hào)對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù);d∈(+1,式中,為零均值的復(fù)高斯隨機(jī)變量對(duì)比式(12),1)對(duì)應(yīng)調(diào)制符號(hào)c二進(jìn)制表示的第j個(gè)比特,對(duì)并利用c和n的統(tǒng)計(jì)特性,可得應(yīng)關(guān)系為d,=+1,對(duì)應(yīng)比特0,dx,=-1,對(duì)應(yīng)比eFHH[HvHH+N門-He,特1;D,∈(+1,-1}對(duì)應(yīng)調(diào)制符號(hào)C的第j個(gè)比Vf=EI ne 12)p特:0(d)為MAP譯碼器反饋的對(duì)應(yīng)dx,的外式(13)對(duì)MMSE輸出估計(jì)的高斯建模,將為計(jì)算編LLR,此值在 SISO MIMO檢測器中作為對(duì)應(yīng)比特碼比特后驗(yàn)LLR提供方便的先驗(yàn)LLR使用.式(6)中第1個(gè)等式的推導(dǎo)利用了調(diào)制符號(hào)對(duì)應(yīng)比特間相互獨(dú)立的假設(shè).由于發(fā)端2.L.3編碼比特后驗(yàn)LLR計(jì)算調(diào)制符號(hào)c第j比特交織器的使用,該假設(shè)是合理的第2個(gè)等式可個(gè)比特d+的后驗(yàn)LLRA1(d4,)可表示為2通過對(duì)如下比特LLR的定義進(jìn)行變換獲得A(d∴y)=hd=+1|r(7)In Pid,=+11cr)值得注意的是,在文獻(xiàn)[2]中針對(duì)MPSK調(diào)制性并不需計(jì)算E{1.而在本文的算法中,這種h/=eC1+分2(a,;)設(shè)計(jì)的算法中,由于所有調(diào)制符號(hào)具有等能量的特計(jì)算是必要的,尤其對(duì)MQAM高階調(diào)制更是如C+21,exp此(2)基于軟符號(hào)的PIC如下+a2(dv,)(16)r,r-Be,=H(e-c,)+n(8)式中,C和C;分別表示第j比特為+1和-1的調(diào)制符號(hào)的集合由式(16)可見,算法輸出的比特后k=1,2,……,2K驗(yàn)LLR由兩項(xiàng)之和組成其中A(d,)對(duì)應(yīng)前次迭式中,ex三[1,…,dk-1,0,cx+1,…,2k]2.1.2瞬時(shí)MMSE濾波為了進(jìn)一步抑制PIC代由卷積譯碼器反饋的先驗(yàn)LLR(首次迭代無反饋先驗(yàn),(d,)=0).第1項(xiàng)λ1(d,)對(duì)應(yīng)輸出外信后殘留的干擾和噪聲,對(duì)P進(jìn)行MMSE濾波,ck=息,它經(jīng)過解交織后輸入卷積譯碼器作為輸入先驗(yàn)rx,其中,MMSE濾波向量為2.2MAP卷積譯碼算法w= arg min E{‖cy-w"r‖2}=接收端的譯碼算法采用標(biāo)準(zhǔn)的卷積碼MAP譯Eirrrrl-Elrrcs(9)碼算法(或BCJR算法),基于輸入譯碼器的編碼作為 Turbo迭代檢測的一個(gè)基本原則,迭代模塊間比特的先驗(yàn)LLR[d(j)]》和卷積編碼結(jié)構(gòu),算的交互信息應(yīng)為不含輸入先驗(yàn)在內(nèi)的外信息,以避法輸出編碼比特的后驗(yàn)LLRA2[d(j)]},以及信息免迭代過早收斂影響整體檢測的性能.基于這個(gè)思比特的后驗(yàn)LLR{A2[b(i)]}上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)第40卷3仿真結(jié)果由圖3(a)可見,在10的BER處,通過5次迭代,本文提出的迭代接收機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)非迭代的接收考慮一個(gè)如圖1所示的4組(K=4)編碼機(jī)(即對(duì)應(yīng)1次迭代的性能)有約6dB的性能增益.G-STBC MIMO-OFDM系統(tǒng),每組中的輸入信息此外,也可看出隨著迭代次數(shù)的增加,本文迭代接收比特流都采用生成多項(xiàng)式為(1+D2,1+D+D2)的機(jī)逼近單組系統(tǒng)迭代檢測的性能.4狀態(tài)1/2碼率的卷積碼進(jìn)行編碼,并在每一幀的圖3(b)所示為 Jakes多徑衰落信道環(huán)境下本文結(jié)尾輸入2個(gè)迫零尾比特,強(qiáng)制編碼器狀態(tài)歸零.所提出迭代接收的性能結(jié)果.信道為2徑等功率信道,有組的調(diào)制器都采用相同的16-QAM調(diào)制,STBC徑間延時(shí)為5ps,信道的時(shí)變特性通過 Jakes信道碼器都采用 Alamouti stBC編碼,交織器采用矩模型建模仿真中設(shè)定歸一化的多普勒頻率為0.02,陣交織.在接收端,配置4個(gè)接收天線進(jìn)行接收(如模擬快變的信道.由圖3(b)可見,本文迭代接收機(jī)圖2,M=4).假定系統(tǒng)中任一收發(fā)天線對(duì)間的信道工作良好,并可得到與準(zhǔn)靜態(tài)情形類似的結(jié)論獨(dú)立同分布,且接收機(jī)已知信道狀態(tài)信息.仿真中,系統(tǒng)每幀輸人比特?cái)?shù)為65528bit,系統(tǒng)帶寬為2.5結(jié)語MHz,OFDM的子載波數(shù)為128,CP長度為10.8針對(duì)編碼的 G -STBC MIMO-OFDM系統(tǒng),并s,這樣,一個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)間間隔為62.0μs.基于 Turbo原則,本文提出了一種聯(lián)合MIMO檢系統(tǒng)的帶寬效率約為6.6bit/(s·Hz-1)測和信道譯碼的迭代接收機(jī)而且,針對(duì)迭代接收機(jī)圖3(a)所示為準(zhǔn)靜態(tài)多徑衰落信道環(huán)境下本中的MMO檢測器模塊,本文也提出了一種通用的文提出迭代接收機(jī)的性能結(jié)果.信道為2徑等功率基于PIC和瞬時(shí)MMSE濾波的 SISO MIMO檢測信道,徑間延時(shí)為5gs,且在連續(xù)兩個(gè)OFDM符號(hào)算法,該算法不僅適用于MPSK調(diào)制,也可用于間隔保持不變.出于比較的目的,圖中給出單組系統(tǒng)MQAM調(diào)制仿真表明,在準(zhǔn)靜態(tài)和 Jakes多徑衰迭代8次后的性能曲線(SG1-8),正如文獻(xiàn)[2]中表落信道環(huán)境中,本文迭代接收機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)的非迭代明的,在高信噪比時(shí),該曲線可被近似視為最優(yōu)聯(lián)合接收機(jī)有非常顯著的性能增益,并且,隨著迭代次數(shù)檢測的下限的增加,可獲得逼近單組系統(tǒng)迭代檢測的性能1次迭代參考文獻(xiàn):[1] Sun SM, Wu Y, Li Y, et al. A novel iterative receiv-er for coded MIMO OFDM systems[A]. ICC'04[C-SG]-8Paris:IEEE,2004,4:2473-2477[2] Ben L, Wang X D. Iterative receivers for mtspace-time coding systems [J]. IEEE JSAC.18(11):2322-2335-8-6-4-20246810[3] Tarokh V. Jafarkhani H, Calderbank A R. Space-timea)準(zhǔn)靜態(tài)多徑衰落block coding for wireless communications: Perform1次迭代ance results[J]. IEEE JSAC, 1999,17(3):451-460[4] Liu Z Q, Xin Y, GiannakisG B. Space-time-frequency4次迭代coded OFDM over frequency-selective fading channels6次迭代[J]. IEEE Trans Signal Process,2002,50(10):2465e-SGI-82476[5] Poor H V, Verdu S. Probability of error in MMSEmultiuser detection [J]. IEEE Trans Inform Theory1997,43:858-871SNR/dB[6] Wang X, Poor H V. Iterative (Turbo) soft interfer-(b) Jakes多徑衰落ence cancellation and decoding for coded CDMA[J].圖3本文迭代接收機(jī)性能IEEE Trans Commun, 1999, 47(7): 1046-1061Fig 3 Performance of the proposed iterative receiver