基于MIMO通信的OFDM/SC-FDE码分多址接入技术研究

摘 要:为有效克服正交频分复用(OFDM)系统存在的不足,提高系统性能,将OFDM技术及单载波频域均衡(SC-FDE)技术分别与码分多址接入(CDMA)技术相结合,并在多输入多输出(MIMO)空间复用技术的高速率通信基础上,研究了相应的两种基带系统结构,讨论了系统所用的频域均衡算法及系数,最后给出性能仿真结果。结果表明,MIMO-SC-FDE-CDMA技术相结合能够更有效地提高系统性能,降低用户间干扰,有着良好的应用前景。

关键词:多输入多输出;正交频分复用;单载波频域均衡;码分多址接入

中图分类号:TN914 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-005-04

Research on OFDM and SC-FDE Systems with MIMO and CDMA

CUI Ling,CAO Yan

(School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,510640,China)

Abstract:Aimming at disadvantages of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM),combining OFDM technology and Single Carrier-Frequency Domain Equalization (SC-FDE) technology with Code Division Multiple Access (CDMA) technology,and based on high frequency communication of Multiple Input Multiple Output (MIMO) architecture,architectures of the two baseband systems are studied.The frequency domain channel equalization and its coefficients are analyzed.The simulation results show that the MIMO-SC-FDE-CDMA systems have better performance.

Keywords:multiple input multiple output;orthogonal frequency division multiplexing;single carrier-frequency domain equalization;SC-FDE;code division multiple access

0 引 言

在新一代移动通信的核心技术中,MIMO技术已成为当前的研究热点,该技术正在渗透到每一种无线技术标准,包括3G蜂窝网络、WLAN,WiBro,WIMAX,802.20和4G蜂窝网络。MIMO技术是利用多个接收和发送天线构成的多输入多输出信道多样性来提升信道容量,提高传输效率的一种技术。OFDM被认为是第四代移动通信中的核心技术,它通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为多个平坦信道,能够在提高频谱效率的同时,降低系统在多径环境下的接收机复杂度。在多用户系统中,OFDM技术需要和其他多址技术结合,以实现多用户复用;多载波技术和CDMA的结合,融合了两者的优势,具有高频谱效率,抗干扰能力强,适合高速数据传输等优点,被认为是一种极具竞争力的多用户系统技术框架,多载波CDMA技术将成为新一代移动通信系统的关键技术。最引人瞩目的是将MIMO技术与OFDM,CDMA技术的结合。因为4G需要高的频谱利用技术和高速传输系统,为了更进一步提高系统传输速率,使用OFDM技术的无线通信网就必须增加载波的数量,而这种方法会增加系统的复杂性,并增大系统的占用带宽。MIMO多天线技术能在不增加带宽的情况下,在每一个窄带平坦子信道上获得更大的信道容量,可以成倍提高通信系统的容量和频谱效率,是一种利用空间资源换取频谱资源的技术。所以,有必要将MIMO技术与OFDM,CDMA技术结合起来进行传输利用。SC-FDE和OFDM均是IEEE 802.16标准制定的2~11 GHz频带的空中接口标准物理层关键技术。SC-FDE和OFDM相比,两者在原理和实现结构上都有很多相似之处,具有相同的复杂度和近似的性能,但SC-FDE克服了OFDM系统存在对定时误差、频偏敏感以及高峰均功率比等的不足,目前,MIMO技术与SC-FDE,CDMA技术结合的研究还不多,大多集中在其中两种技术相结合方面,使CDMA技术没有得到充分的利用。Myung H G等研究了SC-FDE与FDMA相结合的SC-FDMA技术[5]。Sonu Punnoose研究了MIMO上行链路SC-CDMA的信道盲检测算法,但未和MIMO技术与OFDM、CDMA技术结合的系统性能进行比较。

针对这一不足,本文对基于MIMO通信的OFDM/SC-FDE码分多址接入技术进行了研究。其中,MIMO采用贝尔实验室的垂直空时分层结构(V-BLAST),以实现空间复用,提高传输速率。文中首先对MIMO-OFDM-CDMA技术相结合与MIMO-SC-FDE-CDMA技术相结合的基带系统结构进行了讨论,分析其各自优缺点,然后对两种系统进行仿真,并得出性能比较结果。

1 基于MIMO的MC-CDMA基带系统结构

1.1 发送端模型

发送端的OFDM与CDMA技术结合,采用频域扩频的多载波CDMA(MC-CDMA)。一个具有Nt根发射天线,Nr根接收天线,扩频增益为N的沃尔什码扩频,任一用户K(设用户总数为U)的发送端模型如图1所示。各天线之间相互独立,用户K的数据经过V-BLAST编码后被分为Nt组数据流,每组数据中的s个符号经过串并变换后,用扩频增益为G的沃尔什码扩频,映射到s•N=Nc个正交的子载波上,通过IFFT处理后变换到时域,添加循环前缀(CP),并串变换后通过Nt根天线同时发送出去。不同的用户采用不同的扩频码和相同的Nc个子载波。

图1 MIMO-MC-CDMA发射端模型

1.2 接收端模型

接收端模型如图2所示,对Nr根接收天线接收到的信号首先进行串并变换,移除CP,FFT处理后变换到频域,进行信道均衡,再经过解扩处理和V-BLAST译码后,得到用户K数据。

虽然MC-CDMA技术具有高频谱效率、抗干扰能力强,适合高速数据传输等优点,但MC-CDMA系统在经过频域选择性衰落信道的过程中,子载波可能有不同的幅度和不同的相移,因而可能导致用户间正交性的破坏,用户之间不能严格同步,存在码间干扰,系统峰均功率比较大,对发射机射频功放的线性度提出了很高的要求,同时也导致了发射机的功率效率降低。针对这些缺点,采用与OFDM技术有近似性能的SC-FDE技术,以取代OFDM在上述系统中的相应位置,即组成基于MIMO的SC-FDE-CDMA基带系统。

图2 MIMO-MC-CDMA接收端模型

2 基于MIMO的SC-FDE-CDMA基带系统结构

2.1 发射端模型

一个具有Nt根发射天线,Nr根接收天线,扩频增益为N的沃尔什码扩频,任一用户K(设用户总数为U)的发送端模型如图3所示。用户K的数据经过V-BLAST编码后被分为Nt组数据流,每组数据中的s个符号经过串并变换后用扩频增益为N的沃尔什码扩频,映射到s•N=Nc个符号上,通过添加循环前缀(CP),并串变换后,再通过Nt根天线同时发送出去。不同的用户采用不同的扩频码和相同的Nc个符号。

图3 MIMO-SC-FDE-CDMA发射端模型

2.2 接收端模型

接收端模型如图4所示。对Nr根接收天线接收到的信号,首先进行串并变换,移除CP,FFT处理后变换到频域,进行信道均衡,再经过IFFT变换到时域,解扩处理和V-BLAST译码后,得到用户K数据。

可以看出,SC-FDE和OFDM具有相同的复杂度,通过频域信道均衡,也具有抗频率选择性多径衰落的能力,不但克服了OFDM系统存在对定时误差、频偏敏感以及高峰均功率比等的不足,而且SC-FDE-CDMA系统同样可以提高频谱利用率,改善系统性能。

图4 MIMO-SC-FDE-CDMA接收端模型

3 频域信道均衡算法

频域均衡可以采用多种均衡设计方案,这里采用迫零(ZF)均衡及最小均方误差(MMSE)均衡两种线性均衡方法进行比较。在上述两种系统的多天线发射端:

第i根发射天线发送的时域数据块(已经去除循环前缀) 可表示为:

si=T,

i=1,2,…,Nt

式中:Nc为每次处理数据块的大小,也即进行快速傅里叶变换的阶数。si所对应的频域数据块为:

Si=T,

i=1,2,…,Nt

(2)

在接收端,第k根接收天线接收的时域数据块可表示为:

rk=T,

k=1,2,…,Nr

(3)

rk所对应的频域数据块为:

Rk=T,

k=1,2,…,Nr

(4)

上述两种系统中,每个频点对应的数值都有如下关系:

Rk(m)=∑Nti=1Hk,i(m)Si(m)+Nk(m),

m=1,2,…,Nc

(5)

式中:Hk,i(m)表示从第i根发射天线到第k根接收天线的信道在第m个频点的频域响应;Nk(m)为第k根接收天线的噪声在第m个频点的频率响应。将式(5)写成矩阵形式:

R(m)=H(m)S(m)+N(m)

(6)

R1(m)R2(m)RNr(m)〗=

H1,1(m)H1,2(m)…H1,Nt(m)

H2,1(m)H2,2(m)…H2,Nt(m)



HNr,1(m)HNr,2(m)…HNr,Nt(m)

〗•

S1(m)S2(m)SNt(m)〗+

N1(m)N2(m)NNt(m)〗

m=1,2,…,Nc

(7)

设通过信道频域均衡后的数据矢量为:

Z(m)=W(m)R(m)=W(m)H(m)S(m)+Θ(m)

(8)

式中:W(m)为第m个频点上的均衡因子;W(m)的第i行对应的是第i根发射天线在第m个频点的频域均衡系数,Θ(m)=W(m)N(m)为噪声项,则根据迫零(ZF)准则有:

WZF(m)=H(m)-1

(9)

根据最小均方误差(MMSE)准则有:

WMMSE(m)=H(m)HH(m)+1SNR(m)-1H(m)H

(10)

式中:SNR(m)为信噪比。

如果使用ZF均衡,信道深衰点带来子信道的噪声放大都会给系统带来很大的损失。利用MMSE均衡可以保证深衰点不会放大噪声,保证子信道上符号的检测不受放大噪声的影响,采用MMSE均衡优于ZF均衡。这种优势在信道存在深衰点的情况下十分明显。

4 性能仿真

IEEE 802.16建议6种SUI多径信道,在这里选取中等路径衰落的SUI-3信道,设最短路径延迟时间为0 s,各条路径的相对延迟时间为0 μs,0.4 μs,0.9 μs,归一化幅度衰减分别为0 dB,-5 dB,-10 dB,MIMO天线采用2发2收结构,信源采用QPSK调制,FFT运算长度为256,CP的长度为32,扩频码长为16,假设接收端可以理想地知道收发天线间的信道响应。图5给出单用户情况下,MIMO-MC-CDMA基带系统及MIMO-SC-FDE-CDMA基带系统分别采用ZF和MMSE两种均衡方法的性能比较。从图中可以看出,MIMO-SC-FDE-CDMA系统性能比MIMO-MC-CDMA系统性能优越,随着信噪比(SNR)的增大,这种差距越来越大,说明此时MIMO-MC-CDMA系统的误码率(BER)较大地由各子载波频偏引起,同时与采用ZF均衡相比,采用MMSE均衡对系统性能有更大的改善,验证了之前的结论。图6给出两种系统均采用MMSE均衡的条件下,用户总数U分别为1,2,4时对系统性能的影响。可以看出,即随着用户的增多,用户之间的干扰对BER的影响在增大,但MIMO-SC-FDE-CDMA系统性能仍然较MIMO-MC-CDMA系统性能优越。

图5 单用户性能仿真

图6 多用户性能仿真

5 结 语

综上所述,与MC-CDMA相比,SC-FDE-CDMA系统能够更有效地降低用户间干扰,提高系统性能,同时结合MIMO技术增大信道容量,提高传输效率,在未来高速无线通信中,基于MIMO通信的SC-FDE码分多址技术有着良好的应用前景。

参 考 文 献

Juntti M,Vehkapera M,Leinonen J,et al.MIM-O MC-CDMA Communications for Future Cellular Systems [J].IEEE Communications Magazine,2005,43(2):118-124.

IEEE-SA Standards Board.IEEE Std 802.1X.Port-based Network Access Control.2001.

Silva J C,Dinis R,Souto N.Efficient Channel Estimation for Iterative MIMO SC-FDE Systems[A].IEEE Vehicular Technology Conference[C].2008.

Buzid T,Huemer M,Reinhardt S.SC/FDE Combined with MIMO:An Improved out of Band Power and Performance Via Tamed Frequency Modulation[A].IEEE Sarnoff Symposium[C].2007.

Myung H G,Jun Sung Lim,Goodman D J.Single Carrier FDMA for Uplink Wireless Transmission[J].IEEE Vehicular Technology Magazine,2006,1(03):30-38.

Punnoose S,Xu Zhu,Nandi A K.Blind Channel Estimation for MIMO Uplink Single Carrier CDMA Block Transmission Systems.IEEE Indoor and Mobile Radio Communications,2007.

Chen Jiansong,Yu Xiaoli.MMSE V-BLAST for Imperfect MIMO Channels[A].IEEE Vehicular Technology Confe-rence[C].2006.

Xu Zhu,Murch R D.Layered space-frequency Equalization in a Single-carrier MIMO System for Frequency-selective Channels[J].Wireless Communications,2004,3(3):701-708.

Thoen S,Vander Perre L,Engels M.Modeling the Channel Time-Variance for Fixed Wireless Communication[J].IEEE Communications Letters,2002,6(8):331-333.