引入MIMO技术的单载波频域均衡系统

白巍巍,宋志群,徐 信

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

为了在移动条件下进行的高速数据传输的同时,提高系统的频谱利用率,SC-FDE和MIMO等技术成为了目前无线通信领域研究的热点。其中,SC-FDE不同于传统的单载波系统,它在频域对信号进行均衡,通过引入高效的FFT算法,使计算复杂度大为降低,减小了均衡器的结构复杂度,并且可以获得与OFDM相近的抗多径能力;而MIMO复用技术则是在不同的天线上发射包含不同信息的信号以达到提高系统频谱利用率的目的。

1 SC-FDE系统结构

传统的单发单收SC-FDE系统中,在发送端,输入比特数据先进行符号调制,在插入长度为Ng的循环前缀(CP)以后,形成长度为N+Ng的数据分组,经脉冲成形后送入信道;在接收端,同步以后的数据首先去掉循环前缀,然后将数据分组变换到频域,在频域进行均衡后再恢复到时域,就可以在时域对均衡后的数据进行检测,估计出发送的比特信息。其中,加入CP的目的是为了对抗多径信道造成的符号间干扰;因此,CP的长度必须大于等于对接收性能产生不可忽略影响的信道最大多径时延的长度。

SC-FDE系统要在频域进行均衡,首先需将整个信号带宽划分为若干个子带,这是通过接收端的FFT实现的;其次,需将时域内信号与信道多径冲激响应之间的线性卷积关系,转化为频域内子带信号分量与信道频域响应之间的点乘关系,以便于在频域内使用单抽头的频域均衡器进行均衡,这是通过在发射端对信号进行分块并加入CP实现的。

在简述了SISO+SC-FDE系统原理的基础上,再给出引入MIMO技术的SC-FDE系统,即MIMO+SC-FDE系统,该系统原理框图如图1所示。

图1 MIMO+SC-FDE系统原理

此系统通过对原有的SISO+SC-FDE系统进行改进得到,单路数据的处理流程与SISO+SCFDE系统类似,这里不再赘述。需要强调的是,接收天线1和接收天线2接收到的信号R1和R2都是发射端2路信号经过信道后的混叠,如何从混叠的信号中获得同步和信道估计,并对R1和R2进行均衡、检测是本系统需要解决的主要问题。将在下一节中逐一讨论这些问题。

2 MIMO+SC-FDE中的关键技术

2.1 MIMO复用方案

MIMO复用方案为:发射天线T1和T2分别在同一个发射频率上同时发射包含不同信息的信号S1和S2,R1和R2则是2路信号经过信道后的混叠。利用S1和S2中的信道估计序列,分别估计出H1、H2、H3和H4,再利用它们对R1和R2进行均衡和检测,以恢复发送数据S1和S2。

2.2 同步方法

为了从混叠的接收信号中获得同步,设计了新的帧结构。在每帧的帧头,天线1发送导频序列时,天线发送全0信号;待天线1发送完导频序列后,开始发全0信号,天线2则开始发送导频序列;当天线2发送完导频序列后,天线1和天线2各自同时开始发送包含不同信息的信号。这样,由于导频序列的发送采用时分复用(TDM)方式,可利用与SISO+SC-FDE系统相同的方法,通过导频序列获得粗同步和初始的信道估计。由于脉冲成形波形为T/2交叠升余弦波形,细同步可以通过文献[2]中介绍的分组迟早门法获得。

2.3 信道估计方法

为了进行频域均衡,每根接收天线需要估计出2路信道的信息,2根天线共需要估计出4路信道的信息。为了使每根接收天线能够估计出2个信道,可以使用频域相移正交训练序列信道估计方法。具体方法是:2个物理天线分别同时发送频域相移正交的2个用于信道估计的训练序列CE1和CE2,发送时需发送训练序列的时域序列,并加入循环前缀。设序列V=FFT(CE1),则信道估计算法结构示意图如图2所示。

图2 信道估计算法原理

2.4 频域均衡算法

频域均衡就是直接使用信道估计算法估计出的信道频域响应的幅度和相位对频域内的子带信号进行幅度和相位纠正,从而提高系统抗频率选择性衰落能力的一种均衡方法,通常使用单抽头均衡器即可完成子带信号的均衡。常用的均衡算法有2种。

2.4.1 迫零(ZF)均衡

为了便于算法说明,以频域信号之间的关系进行描述。假设S1和S2为发送信号的频域表达式,H1、H2、H3、H4为对应的频域信道冲激响应,R1和R2分别表示天线1和天线2接收信号的频域表达式。信号的矩阵表达式为:

可得:

2.4.2 最小均方误差(MMSE)均衡

迫零均衡虽然简单,但没有考虑噪声对接收信号的影响,抗噪声性能差,在深衰落位置有较强的噪声放大作用。因此,有必要采用新的算法抵消噪声的影响,提高系统的抗噪声性能。先假设均衡器的抽头为C,接收信号R=HS+n,n为加性高斯白噪声。要满足最小均方误差准则,则需C*可推导得到:

3 性能仿真

选取的仿真系统参数为:系统带宽10 MHz;符号采样频率fs=1/Ts=B/2=5 MHz;调制方式为QPSK;成形波形为T/2交叠升余弦;每帧的数据长度6.272 ms。采用COST207模型中的乡村环境信道,有4条多径,第 2径、第3径和第 4径的时延分别为 0.2 μ s,0.4 μ s 和 0.6 μ s,多径信道功率时延剖面满足瑞利分布。噪声为加性高斯白噪声,FFT运算点数为256。分别给出上节所述的ZF均衡算法和MMSE均衡算法的误码率曲线如图3所示。由于帧长较短,每帧经过的瑞利信道不具有各态历经性;所以,给出的误码率曲线是经过100次运算后的统计平均值。从仿真结果可以看出,在误比特率在10e-3时,MMSE算法相较ZF算法系统性能提高了约2 dB。

图3 ZF算法和MMSE算法的仿真性能比较

4 结束语

单载波频域均衡系统具有较强的抗多径能力和较低的复杂度,并且相较于OFDM系统具有PAPR低的特点,在引入MIMO复用技术后,极大地提高了系统的频谱利用率,在未来的无线通信领域具有很好的发展前景。但是,对信噪比的要求过高大大限制了它在实际工程中应用;在接下来的工作中,需要研究更好的均衡算法(例如判决反馈均衡算法),将系统在误比特率10e-3时的所需信噪比下降到20 dB左右。

[1]尹长川,罗 涛,乐光新.多载波宽带无线通信技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.

[2]徐 信,刘利强,宋志群.抗多径符号定时同步装置[P].中国: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.