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不同约束对MMSE软干扰消除Turbo均衡器性能的影响

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国 钆技 2006年第2期 文章编号:1001—893X(2006)02—0144—04 RESEARCH&DEVELOPMENT 研究与开发 不同约束对MMSE软干扰消除 Turbo均衡器性能的影响 聂永萍 ,张忠培2 (1.重庆邮电学院,重庆400065;2.东南大学移动通信国家重点实验室,南京2mo96) 摘要:在MIMO空时编码系统中寻求一种有效的抑制等信道干扰(cci)的方法是无线通信系统中 的关键。基于最小均方差(MMSE)的软干扰消除Turbo均衡器能有效地消除系统共信道干扰与多 用户干扰,在频率选择信道下的是一种非常有效的均衡接收技术。它在多天线系统中应用时,需要 通过MMSE的方法得到优化的滤波系数;但在不同的约束条件下,会得到不同的滤波系数。本文比 较研究了不同的约束方法对系统性能的影响,通过仿真得出了发射天线约束对系统性能起主要作用 的结论。 关键词:多入多出系统;Turo均衡;空时码;最小均方差;空时约束 b中图分类号:TN91l;TN929.5 文献标识码:A Impacts of Different Constraints on the Performance of MMSE Soft・--cancellation Turbo Equalizer NIE Yong—ping’ZHANG Zhong—pet 2 ,(1.Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongning 400065,China; 2.National Mobile Communications Research Laboratory,Southeast Universiy,tNanjing 210096,China) Abstract:The Turbo equalization with MMSE soR—cancellation Can eliminate CO—channel interference (CCI)and multiuser interference。which iS an important techniue fqor frequency selective fading channel nd need obtaain filter coefficients by minimum—mean—squared—error(MMSE)for muli—atntenna transmit systems.but there arc diferent coefficients with diferent constraints with space nd atime variable. he perTformances of system with diferent constraints are compared in this paper by simulation.It iS point。 ed out that consrtaint for transmit antennas mainly functions on system performance. Key words:MIMO system;Turbo equalization;space—time codes;MMSE;space time constraint 落 】。然而,正如文献[4]所述,对于一个STC发 l 弓I 言 送分集系统,在接收端每一个共信道干扰(CCI)源 近年来的信息论研究表明,在无线通信系统中, 将产生2种与自适应天线阵相独立的干扰信号,这 收、发两端采用天线阵将能较大地提高频谱效率。特 种发射分集方案将降低系统的抗干扰抑制能力。因 在空时编码系统中寻求一种有效的抑制CCI的 别是传输信道为非相关信道时更是如此¨】。这种 此,多天线阵最有效的分集方案之一是空时编码 (STC),集合信道编码、调制及多个发射天线以达到 更高的数据速率,同时提供分集增益以抗性道衰 方法十分重要。文献[5]提出了基于均方差(MSE) 接收算法运用于自适应天线阵的STC传输,当发射 机多天线是相关时,STC分集方法抑制CCI相当有 ・收稿日期:2004一II—10;修回日期:2005—01—17 ・144・ 维普资讯 http://www.cqvip.com

也钆技 2006年第2期 效;然而。基于最小均方误差(MMSE)的自适应天线 阵在STC分集方法抑制CCI是无效的。文献[6]提 出了一种基于空间滤波的MIMO—MMSE算法,在 保持.STC结构下,可抑制CCI。文献[7]提出了另 外一些重要方法:在OFDM系统中为抑制CCI采用 了基于最小方差失真响应算法的波束成形技术。在 文献[8]中提出了迭代软干扰消除Turbo均衡方法, 能有地消除CCI及多用户间的干扰。在这些方法 中,都采用MMSE方法得到滤波器系数,为了消除 MMSE求解中的无效解,必须对求解条件进行约束, 不同的约束方法,会得到不同的滤波系数,对各种约 束方法对系统性能影响进行研究,可对基于MMSE 的空时接收机设计提供依据。因此,本文研究了文 献[8]的Turbo均衡软干扰消除接收机在不同空时 约束下的系统性能,得出了约束变量对发射天线的 空间约束对系统性能起主要作用的结论。 2 系统与接收机信号模型 图1是系统结构与发射机框图。K+ 个用户 的每一个编码bit信息序列为cI(i),k=1,…,K+ Kl,i=1,…, .j}。,使用码率为ko/N的空时格码 (S'ITC),N、B分别是发射天线数与符号帧长。感兴 趣的用户是k=1,…, ,而未知用户是k=K+1, …,K,。编码序列是bI(i)E力,i=l,…,BN是Ⅳ 个符号中的 个块,力∈{口 ,…,口2^o}为调制符号星 座。这里采用M进制相移键控(M—PSK)调制,可 直接扩展四进制调幅(QAM)的方案,然后交织编码 序列。因此,块内长为 的信息位置无变化,但帧 内块的位置将根据用户所使用的交织图而发生改 变。交织后的序列以长为 的训练序列为前缀。 整个帧经串、并转换,形成发送数据序列,由Ⅳ个发 射天线发射,经频率选择性信道到接收端。 / 捆稿 (\ 茹 图1多用户S'ITC系统的发射机结构 接收机经过相干解调后,Ⅳ个接收天线上的信 RESEARCH&DEVEL0P1研究与开发 ⅥENT 号在时间上采样,以获得多经信息。对不同天线不 同用户构成接收数据矢量,即得到接收信号在时刻i 的空时表达: Y(i)=Hu(f)+lt,u,(i)+,l(i) (1) Y( )∈CtX¨是接收信号的空时采样向量, 是 频率选择性信道的路径数, 是接收天线,H E CtXxN(2L-1)是所期望用户的信道矩阵: rH(O) …H(L—1) …0 ] l;L 0  ‘…. H(O) -…. H(L一1)J; l  (2) 及 『删1,1(z)…哪(z)…IIl (z)1 日(z)=l ‘. ’. : l (z)… (z)… (z)j (3) :^三(z)表示第.j}IJ1个用户的第n 个发射天线与 第mn个接收天线间的 路复增益, E CTM ‘ 卜 ’与此相似。 向量u( )E CTM‘ 卜 )x1与u,(i)ECTM‘ )¨分 别表示所期望用户发送数据序列与同信道用户发送 数据序列,即: u(i)=[br( +L一1),…,br( ),…,br(f一 +1)] E ( 川) (4) 与 . 6( )= (i),…,6 (i),…,6 (f)] E (5) u(i)与b( )与此相似。rt(i)E C删 是加性高 斯白噪声(AWGA)的向量,其自相关为 E{,l(i) (i)}= ,。 3不同的约束算法 对于Turbo接收机的算法处理过程见文献[8], 期望用户k的接收信号用总的接收信号Y减去其它 用的干扰信号,按式(6)计算得: 多: J10 (f)=Y( )一疗五: , (i) (6) 式中 =T+l,…, + 。为了消除符号间干扰 及共信道干扰,对消除多用户干扰的信号进行最小 均方误差均衡方法进行均衡,它的代价函数可写为 (i),所用权矩阵为的线性MMSE滤波器满足以 下要求: ・145・ 维普资讯 http://www.cqvip.com

国钆技 2006年第2期 [ (i),A (i)] =arg ’( )一A ( (7) RESEARCH&DEVELoPMENT 研究与开发 尺船It m=XQ m (13) 为得到m的最优解,即产生定义m为相应于特 矩阵 (i)E C ,-o的定义为 征值A的特征向量问题。方程(13)成为 (i)=[ { (i),…, ,-o’(i)] 矩阵A (i)∈C (8) SHm=um (14) ,W、A为滤波器系数矩阵, 式中,S=尺昭-IQ, =■1。选择最大特征值与 相应的特征向量以形成 的最优矩阵。给定矩阵 为已知数据矢量, 的取值该用户不同时间得到矢 量, ’(i)=[6: (i),…,6{ (i—L+1)],这种方 Q,则可得到一个滤波系数矩阵 。 式称为时间约束,按某一时间不同天线传输数据构 成矢量, (i)=[ ’(i),…, ,-o’(i)] 称为空间约 束,时间约束方法的实现复杂度太高,本文以空间约 束为主,式(7)为避免平凡解[ (i),A (i)]=[0, 0],我们需要考虑与 (,)和A (i)相关的约束方 程。 (1)约束矩阵 由式(7), ’(i)的自相关矩阵可推得: R =E( ‘,-o’(i) (i) ) = (i) + (9) 其中: A (i)=,一E{五: ,,-o’(i)五{ ,,-o’(i) } =diag{1一I(h(i)] I ,…, 1一l[ (i)] ¨删l , 1l ,10,1一l[ ( )](川)删wl l ,…, 1一l[ (i)](2¨)删l } (1O) (i)和 (i)的互相关矩阵: R坩=E ,-o’ (i) }=础: 及 =E{lft( ) ( ) }= 。 代价函数式(1O)可变换为 = 一A [ : l=m g(11 式中m=【 A】,g=【 】。 总的约束矩阵为:m Qm=1,Q E C(^, ,10) (^, “,10)。 用拉格朗日求解极值方法求解此处的最小值问 题,引入拉格朗日乘子A,需最小化的价值函数可写 为 =m R船m—A(m Qm一1) (12) 按拉格朗日求解原量, OJ,=尺 m 一XQ m‘ =0,则 -146. (2)特殊条件 式(14)给出了通常约束下的求解方法,现给出 各种特殊条件下的约束求解结果。 发射天线约束:A A=1,得到滤波系数为 =(尺 ) 尺 (15) 其中:A由式(16)得到: . [R 一R (尺 ) ]A=AA (_16) 式(16)的解由R。=[ 一尺 (尺打) 尺妒]的特 征值对应的特征矢量得到。 时间及空间约束: +AHA=1,由式(14),即 使得Q为单位矩阵,它的优化解为尺嚣的特征值对 应的特征矢量。 时间约束: =1,它的优化解为R =g一 尺 (Jf ) 尺 的特征值对应的特征矢量。这些特殊 条件可以与矩阵约束对应,A是发射天线空间约束 矩阵, 为时域上的多径约束矩阵。 。-=[。(^, ‘^,・ 。二 】,由m Qm=-,得 出与A A=1对应; Q2=,,由m Qm=1,得出与 +A A=1 对应; 。。 [ ‘ ・ ‘ ・ 。二 】,由m Qm=-,得 出与 W=1对应。 4仿真 对于我们提出的不同约束算法,假定信道估计 理想,每一帧的衰落恒定,但帧间变化独立。假定衰 落是频率选择性的,多径数L=5,瑞利分布,径间及 天线间非相关,多径信道的各径功率分布为[0.7, 0.5,0.4,0.3,0.1]dB,天线功率相等。所有MIM0 用户采用文献[2]所提出N=2的4态QPSK空时 编码调制,各用户发射功率相同;信道编码生成多项 式g=[101,l11]的卷积码,并采用对数MAP SISO 维普资讯 http://www.cqvip.com

也钆技 2006年第2期 译码算法译码,每个用户有不同的随机交织器;发射 天线数为2,接收天线数为3。约束矩阵Q 的对角 RESEARCH&DEVELOPMENT 研究与开发 是∞p∞LkiIIa J口基一Iq . o r铲 。 -5 结束语 元素为:口(1,1)=q(6,6)=q(11,11)=q(16,16)= q17,17),其它位置的值为0,它约束为多径的第一 径及传输天线。 仿真了约束矩阵Q。、Q:,Q 的系统性能,在仿 真中,Q 矩阵的系统不稳定,主要是它没有对发射 天线进行约束限制。从图2、3、4可看出。不同约束 下,经过5次迭代后,性能基本是一致的。但是,由 于图3、4对多径信息进行了约束,收敛速度较快。 对传输天线的约束对系统性能起主要作用,并在所 有的约束算法中,必须加上发射天线空间约束;对于 时间多径信息约束,可以加快迭代收敛速度。因此, 同时进行空间与时间约束,系统能获得较优的性能。 2 . 3 t 5 6 7 8 E8NO,dB 图2(K,Kt,M)=(2,0,3),约束矩阵Q。 7、;1 图3( ,KI,Jlf) |(2,Q,3),约束矩阵Q: - EsN01dB 图4(K,KI,M)=(2,0,3),约束矩阵Q4 本文研究了MIMO空时编码系统中,不同约束 算法对Turbo均衡接收机性能的影响,给出了不同 约束条件的滤波系数求解方法。通过仿真证明,传 输天线的空间约束对系统性能起主要作用,通过对 传输信道约束,可加快迭代接收的收敛速度。 参考文献: 【1]E Telatar.Capacity of muhi—antenna Gaussina channels [J].European trans.Telecomm,1999,10,(6):585— 595. [2]G J Foschin1.1ayered space—time architecture for wire- less communication in a fading channel when using multi- pie antennas[J].Bell Labs Technical Journal,July 1996.1:41—59. [3] S M Alamouti.A simple transmit diversiyt tcehnique for wireless communications[J].IEEE J.Select.Areas Com— mull,1998,16(8):1451—1458。 [4] V Tarokh,N Seshadri,A R Calderbank.Space—time oedes ofr high rate wireless communication: ̄rmanee criterion and code construction[J]. IEEE Trnas. In— ofrm..Th.,1998,44,(2):744—756. [5] G%oulos,M Beach,J McGeehan.Wireless personal communications for the 21“century:European tcehnolog- ical advances in adaptive antennas[J] IEEE Commun. Mag..Sept.1997:102~109. [6]V Tarokh,A Nasnib,N Seshadri,et a1.Combined array processing and space—time coding[J].IEEE Trans.In・ ofrm.Theory,May 1999,45:1121—1128. [7]A N ̄,ulb,N Seshadri.Combined interference cancella- tion and ML decoding of space—time block codes [c]//.Proe.7 Commun.Theory Mini—Conf.at Glo- becom98.NOV.1998. [8] N Veselinovic,T Matsumoto,M Jnutti.Iterative MIMO muhiuser detection and equalization for STYrC—coded systems with unknown interfemnce[C]//.Revised EURASIP.2Oo4. 作者简介: 永萍(1972一)。女,重庆人,副教授,硕 生,主要研究方向:计算机通信,(电 一66910458(电子信箱)nieyp@cqupt. ・147・ 4 呲 

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