基于Turbo 碼的MIMO-OFDM檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

0 引言

在無線通信系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的頻譜效率常采用分集技術(shù)，一般有時(shí)域分集、頻域分集和空間分集。

由于空間分集能夠在不損失任何帶寬效率的情況下執(zhí)行，因此當(dāng)通信系統(tǒng)的衰落信道是非選擇性的，或者系統(tǒng)要保證一定的傳輸速率和帶寬效率時(shí)，通常都會(huì)采用空間分集技術(shù)。而MIMO-OFDM系統(tǒng)，就是利用空間分集技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，使得系統(tǒng)的傳輸容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。采用空間復(fù)用增益的方法有很多，一般常用的有迫零(ZF)算法，最小均方誤差(MMSE)算法，最大似然(ML)算法以及貝爾實(shí)驗(yàn)室的分層空時(shí)處理(BLAST)算法。其中，迫零算法能夠消除信號(hào)間的干擾，簡單易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)信噪比的要求比較高，而且在信號(hào)處理中往往噪聲也同樣被放大。分層空時(shí)編碼算法是非線性算法，是在迫零算法的基礎(chǔ)上通過增加干擾去除的方法而產(chǎn)生的。它將高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換成若干低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，從而利用并行方式進(jìn)行多路數(shù)據(jù)流的無線傳輸。但是在分層空時(shí)譯碼過程中，多路的數(shù)據(jù)流也是單獨(dú)進(jìn)行譯碼，各層之間的數(shù)據(jù)均不相關(guān)，造成了編碼增益的降低。

而Turbo 編碼內(nèi)部通過兩個(gè)或者多個(gè)帶反饋的系統(tǒng)卷積碼RSC級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)子碼編碼器的輸入都由不同的交織器分開。因此有效地實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)性編譯碼思想，而且能更靠近香農(nóng)的理論限。但是當(dāng)傳輸信號(hào)是衰落信道，Turbo編碼的性能會(huì)受到很大的影響，尤其是當(dāng)系統(tǒng)的接收機(jī)移動(dòng)，甚至速度比較快時(shí)，僅僅將Turbo碼與分層空時(shí)編碼系統(tǒng)進(jìn)行級(jí)聯(lián)使用，并不能取得良好的效果。因此，要提高系統(tǒng)的抗衰落性能，接收機(jī)需要加入匹配濾波器，在考慮時(shí)延因素時(shí)也需要采用均衡器。本文提出利用Turbo迭代檢測譯碼方法，將系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)為垂直分層空時(shí)迭代檢測解碼系統(tǒng)，使之既提高了系統(tǒng)的容量，同時(shí)又增加了系統(tǒng)的抗衰落特性。

1 迭代編碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)窄帶的MIMO-OFDM系統(tǒng)，發(fā)射天線有MT 個(gè)，接收天線有MR 個(gè)，且MR ≥ MT .假設(shè)發(fā)射端和接收端信號(hào)幀同步，采樣時(shí)鐘也同步。并且在一個(gè)碼塊之內(nèi)，即包含了M 個(gè)符號(hào)周期，信道衰落頻率響應(yīng)不變。

圖1是該編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，其中交織單元采用近似最佳交織檢測和解碼(IDD)。

令一個(gè)用戶輸入的串行碼元信號(hào)為x(m) ,串/并轉(zhuǎn)換后得到MT 個(gè)碼速率相同的數(shù)據(jù)流bk =[b1 b2 - bMT]T .數(shù)據(jù)流經(jīng)過卷積進(jìn)行編碼，編碼后的信號(hào)為：

該編碼系統(tǒng)中交織器的設(shè)計(jì)是非常重要的部分，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)過程。首先，將MT 個(gè)碼元序列進(jìn)行相互獨(dú)立的時(shí)間交織過程;其次，將不同對(duì)角分層的子數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼的空間交織過程。該過程其實(shí)是根據(jù)碼元序列的長度，將對(duì)角交織器進(jìn)行重新排列。

2 基于Turbo 的解碼系統(tǒng)

矩陣中的每一個(gè)元素為發(fā)射天線到接收天線之間信道的沖激響應(yīng);X(k) 是接收信號(hào)矢量;Z(k) 是高斯噪聲向量。向量中的各個(gè)元素均是獨(dú)立同分布均值為零，方差為σ2 的復(fù)高斯白噪聲隨機(jī)變量。基于Turbo解碼系統(tǒng)框圖如圖2所示。

從圖2中可以看到，該接收機(jī)由檢測器和譯碼器兩個(gè)模塊組成。檢測器是MT 個(gè)并行信道編碼，內(nèi)部譯碼是MT × MR 個(gè)信道矩陣。該解碼系統(tǒng)主要思想是利用Turbo譯碼，將整個(gè)解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)為能夠利用先驗(yàn)信息同時(shí)又能夠給外部提供信息的檢測系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)的檢測器采用MMSE 的軟輸入/軟輸出線性均衡器，復(fù)雜度比較低，而譯碼器采用軟信息的Log-MAP譯碼算法，利用交織器和解交織器將檢測器與譯碼器進(jìn)行連接，用類似Turbo 迭代思想完成迭代檢測。首先Log-MAP 譯碼器的輸出為根據(jù)MMSE 檢測器提供的先驗(yàn)信息λ2 (xn ; c) 和附加信息的累加值，附加信息代表xn 從其他碼字得到的先驗(yàn)信息λ2 (xm ; c) ,其中m ≠ n .該信息再經(jīng)過交織之后，送到MMSE均衡器作為下一次迭代的先驗(yàn)信息使用。同時(shí)，Log-MAP譯碼器也根據(jù)上一次迭代中譯碼比特的判決，計(jì)算了每一個(gè)信息比特的最大后驗(yàn)概率比。

第k 次迭代，檢測器輸出為：

Hi 為MR × (MT - 1) 的矩陣，由其他MT - 1 個(gè)增益發(fā)射天線的信道復(fù)組成。為了簡化，有：

若交織器和基于外部信息比的反饋符號(hào)估計(jì)值已知，就可以計(jì)算出MMSE系數(shù)[8],則在MIMO系統(tǒng)中采用臨界結(jié)果，就可以找到一個(gè)很好的估計(jì)信道矩陣的方法。當(dāng)存在信道估計(jì)出現(xiàn)偏差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生地板效應(yīng)，而該效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響軟干擾抵消的性能。所以，只能利用逐步信道估計(jì)方法去避免地板效應(yīng)。就在迭代剛開始時(shí)，用一個(gè)短訓(xùn)練值對(duì)信道矩陣進(jìn)行預(yù)估計(jì)，然后利用每次迭代產(chǎn)生的反饋符號(hào)估計(jì)值不斷地對(duì)信道估計(jì)進(jìn)行修正。檢測器再利用這個(gè)修正值得到空間匹配濾波器的權(quán)重和干擾估計(jì)。另外，如果給MMSE檢測器似然比輸出值設(shè)置一個(gè)門限，當(dāng)超過這個(gè)門限時(shí)，系統(tǒng)就可以利用這些符號(hào)的硬判決去實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)。[!--empirenews.page--]

檢測器輸出的信息經(jīng)過解交織以后送往譯碼器，Log-MAP算法能夠計(jì)算每一個(gè)信息比特的精確的后驗(yàn)概率。

若對(duì)于檢測器迭代軟輸出為：

3 檢測系統(tǒng)的性能分析

通過仿真結(jié)果，來檢測基于Turbo碼的檢測系統(tǒng)與原分層空時(shí)碼檢測系統(tǒng)在無線通信傳輸過程中的性能。仿真過程中先不采用信道編碼技術(shù)，考慮不同的信道傳輸環(huán)境中，基于Turbo 碼的檢測系統(tǒng)與MIMO-OFM系統(tǒng)在不同的迭代次數(shù)和采用不同的天線系統(tǒng)下性能的差異。由于分層空時(shí)編碼多應(yīng)用于準(zhǔn)靜態(tài)傳輸，因此這里只對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)信道下的分層空時(shí)編碼進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示，橫坐標(biāo)為發(fā)射天線和接收天線的數(shù)目，縱坐標(biāo)為誤比特率。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，基于Turbo碼的檢測系統(tǒng)在二次迭代的情況下要優(yōu)于V-BLAST系統(tǒng)。并且隨著天線數(shù)目的增加，該系統(tǒng)性能也越來越好。而且隨著迭代數(shù)目的增加和天線系統(tǒng)的增加，在快衰落信道內(nèi)傳輸?shù)幕赥urbo碼的檢測系統(tǒng)性能可以逐漸接近AWGN信道傳輸性能。

接下來再從不同天線數(shù)目情況下，比較兩個(gè)系統(tǒng)的性能?？紤]不同的天線結(jié)構(gòu)為MT = MR = 8 ,MT = 5而MR = 8 ,MT = 6 而MR = 8 ,MT = 8 而MR = 5 ,MT = 8 而MR = 6五種情況下，基于Turbo碼的檢測系統(tǒng)和BLAST系統(tǒng)誤碼率性能，仿真結(jié)果如圖4所示。

考慮的基于Turbo碼的檢測系統(tǒng)是在10 次迭代以內(nèi)的最好性能。從圖4中可以看到隨著天線數(shù)目的增加基于Turbo 碼的檢測系統(tǒng)和BLAST 系統(tǒng)性能都有所改善，但是在任何天線系統(tǒng)下基于Turbo碼的檢測系統(tǒng)性能總是要優(yōu)于BLAST系統(tǒng)性能。而且根據(jù)BLAST性能，系統(tǒng)在誤碼率性能中的實(shí)際增益是在發(fā)射天線數(shù)目僅次于接收天線數(shù)目情況下體現(xiàn)的。因此基于Turbo碼的檢測系統(tǒng)性能也會(huì)因?yàn)樘炀€數(shù)目的增加而性能受到抑制。比如當(dāng)天線數(shù)目為MT = MR = 8 時(shí)，基于Turbo碼的檢測系統(tǒng)比BLAST 系統(tǒng)有2~3 dB 的增益，而在MT = 5而MR = 8 狀態(tài)時(shí)，卻只有0.5 dB的增益。

4 結(jié)語

本文在MIMO-OFDM系統(tǒng)中利用Turbo迭代譯碼思想，將接收機(jī)設(shè)計(jì)成為利用軟信息的檢測器與譯碼器，并且兩者之間通過交織器和解交織器相連接。充分利用了迭代檢測的解碼方法，即降低了發(fā)射端數(shù)據(jù)流的復(fù)雜度，又簡化了傳統(tǒng)分層空時(shí)解碼求偽逆的計(jì)算量。另外，在編碼系統(tǒng)中，所有的用戶信息都是同一時(shí)刻發(fā)送的，每個(gè)分量譯碼器的輸入相互獨(dú)立。即使在快衰落環(huán)境下，每條路徑上的相關(guān)性都很小，這使得該系統(tǒng)即獲得了大的分集增益，又提高了系統(tǒng)的譯碼性能。通過仿真結(jié)果證明，在不同的傳輸環(huán)境下，比原來的MIMO-OFDM系統(tǒng)，在誤比特率上有了很大的改進(jìn)。