【無(wú)線射頻通信】-基于Turbo 碼的MIMO-OFDM檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----基于Turbo碼的MIMO-OFDM檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)0引言

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的頻譜效率常采納分集技術(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狀況下執(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)要保證肯定的傳輸速率和帶寬效率時(shí)，通常都會(huì)采納空間分集技術(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。采納空間復(fù)用增益的方法有許多，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)算法以及貝爾試驗(yàn)室的分層空時(shí)處理(BLAST)算法。其中，迫零算法能夠消退信號(hào)間的干擾，簡(jiǎn)潔易實(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(guò)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(wú)線傳輸。但是在分層空時(shí)譯碼過(guò)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(guò)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(kāi)。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)也需要采納均衡器。本文提出利用Turbo迭代檢測(cè)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(cè)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)，放射天線有MT個(gè)，接收天線有MR個(gè)，且MRMT.假設(shè)放射端和接收端信號(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，其中交織單元采納近似最佳交織檢測(cè)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=[b1b2-bMT]T.數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)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)是特別重要的部分，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)過(guò)程。首先，將MT個(gè)碼元序列進(jìn)行相互的時(shí)間交織過(guò)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(guò)程。該過(guò)程其實(shí)是依據(jù)碼元序列的長(zhǎng)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)元素為放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)元素均是同分布均值為零，方差為2的復(fù)高斯白噪聲隨機(jī)變量?；赥urbo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(cè)器和譯碼器兩個(gè)模塊組成。檢測(cè)器是MT個(gè)并行信道編碼，內(nèi)部譯碼是MTMR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)又能夠給外部供應(yīng)信息的檢測(cè)系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)的檢測(cè)器采納MMSE的軟輸入/軟輸出線性均衡器，簡(jiǎn)單度比較低，而譯碼器采納軟信息的Log-MAP譯碼算法，利用交織器和解交織器將檢測(cè)器與譯碼器進(jìn)行連接，用類(lèi)似Turbo迭代思想完成迭代檢測(cè)。首先Log-MAP譯碼器的輸出為依據(jù)MMSE檢測(cè)器供應(yīng)的先驗(yàn)信息2(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2(xm;c),其中mn.該信息再經(jīng)過(guò)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譯碼器也依據(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(cè)器輸出為：

Hi為MR(MT-1)的矩陣，由其他MT-1個(gè)增益放射天線的信道復(fù)組成。為了簡(jiǎn)化，有：

若交織器和基于外部信息比的反饋符號(hào)估量值已知，就可以計(jì)算出MMSE系數(shù)[8],則在MIMO系統(tǒng)中采納臨界結(jié)果，就可以找到一個(gè)很好的估量信道矩陣的方法。當(dāng)存在信道估量消失偏差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生地板效應(yīng)，而該效應(yīng)會(huì)嚴(yán)峻影響軟干擾抵消的性能。所以，只能利用逐步信道估量方法去避開(kāi)地板效應(yīng)。就在迭代剛開(kāi)頭時(shí)，用一個(gè)短訓(xùn)練值對(duì)信道矩陣進(jìn)行預(yù)估量，然后利用每次迭代產(chǎn)生的反饋符號(hào)估量值不斷地對(duì)信道估量進(jìn)行修正。檢測(cè)器再利用這個(gè)修正值得到空間匹配濾波器的權(quán)重和干擾估量。另外，假如給MMSE檢測(cè)器似然比輸出值設(shè)置一個(gè)門(mén)限，當(dāng)超過(guò)這個(gè)門(mén)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)信道估量。

檢測(cè)器輸出的信息經(jīng)過(guò)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(cè)器迭代軟輸出為：

3檢測(cè)系統(tǒng)的性能分析

通過(guò)仿真結(jié)果，來(lái)檢測(cè)基于Turbo碼的檢測(cè)系統(tǒng)與原分層空時(shí)碼檢測(cè)系統(tǒng)在無(wú)線通信傳輸過(guò)程中的性能。仿真過(guò)程中先不采納信道編碼技術(shù)，考慮不同的信道傳輸環(huán)境中，基于Turbo碼的檢測(cè)系統(tǒng)與MIMO-OFM系統(tǒng)在不同的迭代次數(shù)和采納不同的天線系統(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)為放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)覺(jué)，基于Turbo碼的檢測(cè)系統(tǒng)在二次迭代的狀況下要優(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(lái)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(cè)系統(tǒng)性能可以漸漸接近AWGN信道傳輸性能。

接下來(lái)再?gòu)牟煌炀€數(shù)目狀況下，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=6五種狀況下，基于Turbo碼的檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)性能總是要優(yōu)于BLAST系統(tǒng)性能。而且依據(jù)BLAST性能，系統(tǒng)在誤碼率性能中的實(shí)際增益是在放射天線數(shù)目?jī)H次于接收天線數(shù)目狀況下體現(xiàn)的。因此基于Turbo碼的檢測(cè)系統(tǒng)性能也會(huì)由于天線數(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(cè)系統(tǒng)比BLAST系統(tǒng)有2~3dB的增益，而在MT=5而MR=8狀態(tài)時(shí)，卻只有0.5dB的增益。

4結(jié)語(yǔ)

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(cè)器與譯碼器，并且兩者之間通過(guò)交織器和解交織器相連接。充分利用了迭代檢測(cè)的解碼方法，即降低了放射端數(shù)據(jù)流的簡(jiǎn)單度，又簡(jiǎn)化