一种基于STBC的SC-FDE系统双天线联合检测算法*

吴世奇

(中国西南电子技术研究所,四川 成都 610036)



一种基于STBC的SC-FDE系统双天线联合检测算法*

吴世奇

(中国西南电子技术研究所,四川 成都 610036)

针对双发双收的基于空时分组编码的单载波频域均衡(STBC-SC-FDE)系统，研究了一种双天线联合检测算法，通过信道估计、导频干扰消除、加权联合均衡等过程重构发送的信息。并根据信噪比对频域信号与均衡矩阵进行加权处理，使联合检测算法适用于2路接收信号信噪比不同的情况。仿真结果表明，所提出的双天线联合检测算法在SUI-3信道下最大可获得约8dB的接收分集增益。与时域最大比合并(MRC)算法相比，由于采用联合检测，该算法能有效改善系统在多径衰落信道下的误码率。

联合检测；空间分集；加权联合均衡；空时分组编码；单载波频域均衡

0 引 言

在宽带无线通信系统中，MIMO技术与SC-FDE技术都是目前的重要研究方向，从提高频谱利用率和提高传输可靠性两个不同的角度，MIMO系统可分为空间复用系统和空间分集系统两大类。在频率选择性信道中，MIMO系统可以通过频域均衡技术来降低ISI的影响[1]。SC-FDE技术具有抗多径与峰均比较小等优点，两者结合构成的MIMO-SC-FDE系统成为了近年来的研究热点，具有广阔的应用前景[2-3]。

空时编码技术是MIMO系统的关键技术，最早由Bell实验室提出，目前常用的空时编码有分层空时码(LSTC)、空时网格码(STTC)、空时分组码(STBC)等。LSTC只有复用增益，无分集增益，译码复杂度一般；STTC同时具有分集增益与复用增益，但译码复杂度很高；STBC只有分集增益，无复用增益，译码较简单。针对获取空间分集增益的系统，STBC是最佳选择。

文献[4]首次将SC-FDE技术与基于Alamouti结构的STBC相结合，实现两种方案的优点。文献[5]证明了在该系统中采用Chu序列作为训练序列进行信道估计的最优性。文献[6]给出了该系统基于MMSE准则的均衡算法。然而上述文献均是在两发一收条件下针对STBC-SC-FDE系统进行的研究，对于两天线接收系统，如何在两天线接收信号信噪比不一致的情况下进行联合信号检测是一大难点，在已有文献中还没有关于这方面研究成果的论文，而这正是本文要解决的问题。

1 基于STBC的SC-FDE信号模型

SC-FDE信号是分块传输的，当信号经过多径信道后，会产生符号间干扰(ISI)，为了消除ISI，需要在时域插入保护间隔结构，称为循环前缀(CP)。SC-FDE基本原理是：在发送端串行输入信号经过调制器将数据码流映射到信号的星座上，插入CP，成形滤波后经过无线信道传输；在接收端接收信号进行载波同步、定时同步以及去除CP后，经过FFT变换到频域，进行频域均衡，再经过IFFT变换到时域，进行符号判决后得到解调数据。SC-FDE系统原理框图如图1所示。

图1 SC-FDE系统原理框图

Alamouti码是当前最常用的STBC码，已纳入IEEE802.16标准规范，同时Alamouti码也是第一种在发射天线数为2的系统中提供完全分集增益的STBC，其编码方式如下：

假设发送端采用M进制调制方案，首先调制每一组m个信息比特(m=log2M)。然后在每一次编码操作中取两个调制符号s0和s1分组，按下面编码矩阵映射到发射天线：

(1)

由于SC-FDE系统是基于块结构进行传输的，所以其发射分集方案不能直接应用Alamouti提出的空时分组码编码，根据文献[4]，基于STBC的双天线发射SC-FDE系统可采用如图2所示的信号发射方式。

图2 基于STBC的SC-FDE系统信号模型

(2)

2 双天线联合检测算法

文献[6]提出了两发一收情况下的MMSE均衡算法。对于双天线接收系统，在实际使用过程中，空间遮挡会导致到达2根接收天线的射频信号电平存在差异，经过接收机AGC电路后，会出现2路AD采样信号幅度相同但信噪比不同的情况。通常的做法是对两路信号进行时域MRC合并[7]，此时2路接收信号需要分别单独进行均衡处理，无法充分利用两路信道估计信息。为此，本文进一步研究了接收信号信噪比不同条件下的双天线联合检测算法。

2.1 信道估计

在MIMO-SC-FDE系统中，接收端的均衡检测需要信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)，信道状态信息的准确与否对接收端解调译码性能影响很大，需要在接收端通过信道估计提供准确的信道状态信息。LS信道估计算法原理如图3所示：

图3 信道估计处理框图

设时域信道冲击响应长度为L，则接收天线i与发射天线j之间的时域信道冲击响应向量为：

(3)

接收天线i收到的长度为M的导频序列为：

ri=Chi1p1+Chi2p2+ni

(4)

将ri进行M点的FFT变换到频域得：

Ri=FChi1p1+FChi2p2+Fni=FChi1F-1Fp1+FChi2F-1Fp2+Ni=Λi1P1+Λi2P2+Ni

(5)

其中，Λij=FChijF-1，F为归一化FFT变换矩阵，即Λij是由hij进行M点FFT变换所得元素构成的M维对角矩阵。P1,P2为导频序列p1,p2的频域形式，Ni为频域噪声。

将Ri进行变形可得：

(6)

(7)

2.2 导频干扰消除

(8)

其中,Chij(i,j=1,2)是由时域信道冲击响应hij构成的(N+M)×(N+M)维循环卷积矩阵。

令ψ变换为：

(9)

对k+1时刻接收到的信号先取共轭，然后进行ψ变换，得：

(10)

再进行FFT变换到频域：

(11)

其中，Λij=FChijF-1是由hij进行N+M点的FFT变换所得元素构成的N+M维对角矩阵。

根据上述推导，利用估计得到的信道状态信息，可将频域信号中的导频干扰项消除，消除导频干扰的频域信号为：

(12)

2.3 加权联合均衡

消除导频干扰后的频域信号可以表示为：

(13)

即：

Y=ΛS+N

MMSE均衡矩阵如下：

(14)

进行频域均衡：

(15)

上述接收处理算法适用于2根接收天线接收到信号的信噪比一致的情况。当2路信号信噪比差异较大时，上述处理算法不仅不能获得分集增益，而且还会使得合成信号的信噪比恶化。针对该情况，将接收处理算法做如下改进：

先对消除导频干扰后的频域信号根据接收信号信噪比进行加权处理，得到：

(16)

令SNRi为接收天线i接收信号的信噪比，则：

(17)

同时均衡矩阵相应变为：

(18)

其中,I为(N+M)/2维单位矩阵。

3 性能仿真分析

采用Matlab软件，对上述双天线接收处理算法进行仿真，仿真参数设置如下：

(1)调制方式：QPSK；

(2)符号速率：5M；

(3)导频长度：M=64；

(4)数据长度：N=448；

(5)仿真长度：10 000个Block；

(6)信道模型：AWGN / SUI-3。

SUI-3信道的最大多径时延为900 ns，对于5M的符号率而言，时域信道冲击响应长度L=5，满足M>2L的前提条件，误码率仿真结果分别如图4、图5所示：

图4 AWGN信道误码率仿真结果

图5 SUI-3信道误码率仿真结果

通过仿真可以看出，在SUI-3信道中，当误码率小于10-2数量级时，本文提出的加权联合均衡算法误码率性能明显优于时域MRC合并算法。在信噪比相同的条件下，基于STBC的SC-FDE双收系统采用加权联合均衡算法，相对于单收系统，在AWGN信道下可获得约3 dB的接收分集增益，在SUI-3信道下最大可以获得约8 dB的接收分集增益，并且在接收信号信噪比相差6 dB的情况下误码率仍明显优于单天线接收系统。

4 结束语

本文针对基于STBC的SC-FDE系统，在双发双收条件下提出了一种的双天线联合检测算法，利用2路信道估计信息进行联合均衡，提高检测准确性，并根据信噪比对频域信号与均衡矩阵进行加权处理，以适应2根天线接收信号信噪比不同的情况。通过Matlab仿真，STBC-SC-FDE系统采用该联合检测算法，在各种信噪比条件下均能获得可观的接收分集增益，并且在多径衰落信道下误码率明显优于时域MRC合并算法，说明本文提出的双天线联合检测算法能有效提高STBC-SC-FDE系统的接收性能，具有一定的实用性。

[1] 左晓晶，葛世超. STBC系统中卡尔曼均衡算法的仿真研究[J]. 通信技术, 2011,44(6): 9-14. ZUO Xiao-jing，GE Shi-chao. Study on Kalman Equalization Algorithm of STBC Systems[J]. Communications Technology, 2011, 44(6):9-14.

[2] 李丹萍，刘毅，张海林. MIMO SC-FDE系统的时域信道估计新算法[J]. 通信学报, 2011,32(2): 144-149.

LI Dan-ping, LIU Yi, ZHANG Hai-lin. Channel Estimation for MIMO SC-FDE Systems via Time-Domain based Approaches[J]. Journal on Communications, 2011, 32(2): 144-149.

[3] Hakam Mheidat, Murat Uysal, Naofal Al-Dhahir, et al. Single-Carrier Frequency Domain Equalization [J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2008,25(5):37-56.

[4] Naofal Al-Dhahir. Single-Carrier Frequency- Domain Equalization for Space-Time Block-Coded Transmissions over Frequency-Selective Fading Channels[J]. IEEE Communications Letters, 2001, 5(7): 304-306.

[5] 张静, 酆广增. 频率选择性信道下单载波空时分组编码传输系统中的信道估计技术[J]. 通信学报, 2006,27(5): 90-94. ZHANG Jing, FENG Guang-zeng. Channel Estimation in Single-Carrier Systems with Space-Time Block Coded Transmission over Frequency-Selective Fading Channels[J]. Journal on Communications, 2006,27(5): 90-94.

[6] 王杰令，刘祖军，田红心等. STBC块传输系统中的一种新型分集合并算法[J]. 电子与信息学报, 2010,32(8): 2010-2014. WANG Jie-ling,LIU Zu-jun,TIAN Hong-xin,et al.A Novel Diversity Algorithm in STBC Block Transmission System[J].Journal of Electronics and Information Technology, 2010,32(8): 2010-2014.

[7] 高建丰，李光球. 相关Nakagami衰落信道上DE-QPSK性能分析[J]. 通信技术, 2012,45(5): 20-25. GAO Jian-feng,LI Guang-qiu. Performance Analysis of DE-QPSK over Correlated Nakagami-m Fading Channels [J]. Communications Technology, 2012,45(5):20-25.

A Novel Joint Detection Algorithm of Dual-Antennas in STBC-SC-FDE System

WU Shi-qi

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu Sichuan 610036, China)

Aiming at STBC-SC-FDE (STBC-based Single Carrier Frequency Domain Equalization) system with two transmissions and two receiver antennas, a joint detection algorithm of dual antennas is proposed. The transmitted data is reconstructed through several processing algorithms, including channel estimation, pilot interference mitigation and weighted joint equalization. By weighted processing of frequency domain signal and equalization matrix based on SNR, the joint detection algorithm is available when SNR of two-way received signals are different. Simulation results show that the proposed dual-antenna detection algorithm could achieve about 8db diversity gain in in maximum SUI-3 channel. And as compared with time domain MRC (Maximal-Ratio-Combining) algorithm, the proposed algorithm could effectively reduce BER in multi-path fading channel via joint detection.

joint detection; space diversity; weighted joint equalization; STBC; SC-FDE

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.008

2015-01-04；

2015-04-04 Received date:2015-01-04；Revised date：2015-04-04

TN911.5

A

1002-0802(2015)05-0546-05

吴世奇(1983—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为宽带通信系统与软件无线电。