一種基于Turbo 碼的MIMO-OFDM檢測系統的設計

0 引言

在無(wú)線(xiàn)通信系統中，為了提高系統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行，因此當通信系統的衰落信道是非選擇性的，或者系統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，就是利用空間分集技術(shù)，從而實(shí)現空間復用，使得系統的傳輸容量隨著(zhù)天線(xiàn)數量的增加而線(xiàn)性增加。采用空間復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)驗室的分層空時(shí)處理(BLAST)算法。其中，迫零算法能夠消除信號間的干擾，簡(jiǎn)單易實(shí)現，但是對信噪比的要求比較高，而且在信號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(xiàn)性算法，是在迫零算法的基礎上通過(guò)增加干擾去除的方法而產(chǎn)生的。它將高速數據業(yè)務(wù)進(jìn)行串/并轉換成若干低速數據業(yè)務(wù)，從而利用并行方式進(jìn)行多路數據流的無(wú)線(xiàn)傳輸。但是在分層空時(shí)譯碼過(guò)程中，多路的數據流也是單獨進(jìn)行譯碼，各層之間的數據均不相關(guān)，造成了編碼增益的降低。

而Turbo 編碼內部通過(guò)兩個(gè)或者多個(gè)帶反饋的系統卷積碼RSC級聯(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)現了隨機性編譯碼思想，而且能更靠近香農的理論限。但是當傳輸信號是衰落信道，Turbo編碼的性能會(huì )受到很大的影響，尤其是當系統的接收機移動(dòng)，甚至速度比較快時(shí)，僅僅將Turbo碼與分層空時(shí)編碼系統進(jìn)行級聯(lián)使用，并不能取得良好的效果。因此，要提高系統的抗衰落性能，接收機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，將系統接收機設計為垂直分層空時(shí)迭代檢測解碼系統，使之既提高了系統的容量，同時(shí)又增加了系統的抗衰落特性。

1 迭代編碼系統的設計

設計窄帶的MIMO-OFDM系統，發(fā)射天線(xiàn)有MT 個(gè)，接收天線(xiàn)有MR 個(gè)，且MR ≥ MT .假設發(fā)射端和接收端信號幀同步，采樣時(shí)鐘也同步。并且在一個(gè)碼塊之內，即包含了M 個(gè)符號周期，信道衰落頻率響應不變。

圖1是該編碼系統結構框圖，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(hù)輸入的串行碼元信號為x(m) ,串/并轉換后得到MT 個(gè)碼速率相同的數據流bk =[b1 b2 - bMT]T .數據流經(jīng)過(guò)卷積進(jìn)行編碼，編碼后的信號為：

該編碼系統中交織器的設計是非常重要的部分，要實(shí)現兩個(gè)過(guò)程。首先，將MT 個(gè)碼元序列進(jìn)行相互獨立的時(shí)間交織過(guò)程;其次，將不同對角分層的子數據流進(jìn)行編碼的空間交織過(guò)程。該過(guò)程其實(shí)是根據碼元序列的長(cháng)度，將對角交織器進(jìn)行重新排列。

2 基于Turbo 的解碼系統

矩陣中的每一個(gè)元素為發(fā)射天線(xiàn)到接收天線(xiàn)之間信道的沖激響應;X(k) 是接收信號矢量;Z(k) 是高斯噪聲向量。向量中的各個(gè)元素均是獨立同分布均值為零，方差為σ2 的復高斯白噪聲隨機變量?；赥urbo解碼系統框圖如圖2所示。

從圖2中可以看到，該接收機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，內部譯碼是MT × MR 個(gè)信道矩陣。該解碼系統主要思想是利用Turbo譯碼，將整個(gè)解碼系統設計為能夠利用先驗信息同時(shí)又能夠給外部提供信息的檢測系統，并且該系統的檢測器采用MMSE 的軟輸入/軟輸出線(xiàn)性均衡器，復雜度比較低，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(lèi)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MMSE 檢測器提供的先驗信息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信息λ2 (xm ; c) ,其中m ≠ n .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信息使用。同時(shí)，Log-MAP譯碼器也根據上一次迭代中譯碼比特的判決，計算了每一個(gè)信息比特的最大后驗概率比。

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(xiàn)的信道復組成。為了簡(jiǎn)化，有：

若交織器和基于外部信息比的反饋符號估計值已知，就可以計算出MMSE系數[8],則在MIMO系統中采用臨界結果，就可以找到一個(gè)很好的估計信道矩陣的方法。當存在信道估計出現偏差時(shí)，會(huì )產(chǎn)生地板效應，而該效應會(huì )嚴重影響軟干擾抵消的性能。所以，只能利用逐步信道估計方法去避免地板效應。就在迭代剛開(kāi)始時(shí)，用一個(gè)短訓練值對信道矩陣進(jìn)行預估計，然后利用每次迭代產(chǎn)生的反饋符號估計值不斷地對信道估計進(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重和干擾估計。另外，如果給MMSE檢測器似然比輸出值設置一個(gè)門(mén)限，當超過(guò)這個(gè)門(mén)限時(shí)，系統就可以利用這些符號的硬判決去實(shí)現信道估計。