基于IFDMA-SIMO系统的信道压缩.doc

第2期徐岚等：基于IFDMA-SIMO系统的信道压缩119基于IFDMA-SIMO系统的信道压缩徐岚, 王宗欣(复旦大学 通信科学与工程系，上海 200433)摘 要：高速数据传输IFDMA(interleaved frequency-division multiple-access)系统中，信道扩展将导致严重的符号间干扰，为此，根据IFDMA-SIMO(single-input multiple-output)系统特性，提出了一种新的基于IFDMA-SIMO系统的信道压缩算法。仿真和比较表明，该算法在保持多用户信号正交的基础上，能有效地抑制多径干扰。 关键词：交织频分多址；单输入多输出；信道压缩中图分类号：TN 929.5 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2007)02-0115-05Channel shortening in IFDMA-SIMO systemXU Lan, WANG Zong-xin(Department of Communication Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China )Abstract: In high-speed IFDMA systems, the increase of channel memory can lead to serious multi-path interference. After a brief introduction to IFDMA system, a new channel shortening algorithm based on the presented IFDMA-SIMO system model was proposed. Simulation results show that the proposed algorithm can effectively suppress multi-path interference while maintaining the orthogonality among the signals from different users.Key words: IFDMA; SIMO; channel shortening1 引言单输入多输出(SIMO, single-input multiple-output)系统利用空间分集，较之单输入单输出(SISO, single-input single-output)系统，在频率选择性信道中可以有效地提高系统容量。收稿日期：2005-04-20；修回日期：2006-12-15基金项目：国家自然科学基金资助项目（60572124）Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (60572124)在宽带无线通信的上行链路中，SIMO技术由于其在移动端实现简单而具有特殊的优势。但是符号间干扰（ISI, intersymbol interference）的存在，往往导致了无线通信系统性能的恶化。尤其当符号间干扰严重时，许多检测技术的复杂度随着信道扩展的增加指数增加，最终导致系统实现代价剧增，因此基于FIR或IIR滤波原理的信道压缩技术的应用具有重要的价值，得到了广泛重视与研究13。不同于经典的频分多址（FDMA, frequency-division multiple-access）、时分多址（TDMA, time-division multiple-access）及码分多址（CDMA, code-division multiple-access）方案，文献4,5中给出了一种较为新颖的交织频分多址（IFDMA, interleaved FDMA）方案。IFDMA-SIMO系统能够在充分利用空间分集的同时避免多址接入干扰，但多径信道导致的ISI仍为制约其发展的主要因素。本文基于IFDMA-SIMO系统模型，提出了一种新的信道压缩算法。仿真表明，该算法应用于IFDMA-SIMO系统时，能在保持多用户信号正交性的基础上，有效地抑制多径导致的符号间干扰。2 IFDMA系统简介不同于经典的FDMA、TDMA及CDMA，文献4,5提出了一种可应用于多载波系统的交织频分多址方案。研究表明该方案可以保证信号的连续传输，且无需像CDMA系统那样采用扩频序列区分用户，具有广泛的应用前景。IFDMA方案以数据块的方式传输数据，并通过时域的相位调制区分用户，以数字方式实现频分多址。IFDMA系统发送端结构如图1所示，对于系统中的任一用户i（i=1,Nu），Q个复信息符号构成一个数据块矢量，表示为 ，数据块矢量通过时域重复的方式构成IFDMA符号c(i)，c(i)具有如下形式其中，G为IFDMA系统提供的处理增益，G作为保护间隔引入。对用户i定义相位函数，最终的发送码片序列可以表示为图1 IFDMA系统发送端结构文献4中证明了IFDMA系统用户间信号具有良好的正交性。同时，由于(1)在加性高斯白噪声信道中，接收端利用式（1）进行IFDMA解调，即可恢复出对应的发送信号。3 基于IFDMA-SIMO系统的信道压缩3.1 IFDMA-SIMO系统模型在由单发送天线，Mr个接收天线构成的IFDMA-SIMO系统中，考虑频率选择性慢衰落信道，依据抽头延时线信道模型，若取Tmax为系统最大延时，Tc为码片周期，定义(2)则对于任一用户i ，发送天线与基站接收天线mr（mr=1, 2, , Mr）间构成长度为L+1的信道，其冲激响应可以表示为(3)并进一步假设满足瑞利分布。在k时刻以码片速率在接收天线mr处抽样，得到接收信号 (4)其中，为加性高斯白噪声，满足高斯分布。对于长度为n的发送序列，定义对应于用户i的输入矩阵 ；对应于用户i的信道矩阵其中,；系统输出矩阵Rk其中，由此得到矩阵形式的信号模型为(5)其中，N为噪声矩阵，构成方式与Rk相同。具有Mr个接收天线的IFDMA-SIMO系统结构如图2所示。在接收端，各用户信号按照给定算法分别进行信道压缩均衡后，再经IFDMA解调、判决，恢复出符号序列。具体的信道压缩算法由3.2节给出。3.2 IFDMA-SIMO系统信道压缩算法推导传统的信道压缩算法，往往从恢复信号的角度构造信道压缩算法的代价函数，主要应用于OFDM系统及单载波CDMA系统。本文从最大可能逼近原始信道传输特性的角度出发，定义信道压缩的误差函数及代价函数，在假设已知信道信息的基础上，根据IFDMA传输数据的特点，构造虚拟输入矩阵，提出了一种新的IFDMA-SIMO系统信道压缩算法。图2 采用信道压缩的IFDMA-SIMO系统结构IFDMA系统中，对用户i考虑一个IFDMA数据块的传输过程，对于(G+G)Q个传输符号x(i)，写成输入矩阵形式得到其子阵满足其中，表示Kronecker积，X(i)具有如下形式(6)根据IFDMA系统传输数据的这一特性，在接收端构造式(6)所示的虚拟输入矩阵X(i)，并以此为基础推导信道压缩算法。进一步用Y(i)表示相应的信道输出矩阵，即Y(i)满足(7)若用w(i)表示图2中通过（D+1）级空时均衡实现的信道压缩过程，则 (8)其中，为信道压缩引入的残余信道矩阵，为压缩得到的目标信道矢量，满足(9)0L为压缩信道的最优时延。定义信道压缩的误差函数 ，据此构造代价函数(10)则有(11)由得到(12)为避免矩阵求逆过程中出现奇异，将式（10）修正为(13)其中，l为一个小正数，I为单位阵。因此在求得时，有(14)将式（9）、（13）代入式(11)并化简得到(15)其中，。在的约束条件下最小化式（15），可以得到为与最小的特征值对应的归一化特征向量，其中，为由第(+1),(+1)行构成的子阵，选取使目标函数最小的可能值。4 模拟结果模拟基于2接收天线的IFDMA-SIMO系统，考虑频率选择性慢衰落信道，各多径信道参数满足复高斯分布。取Q=64，G=16，G=1，此时系统允许的最大用户数为16，采用QPSK调制方式，利用上述信道压缩算法对接收信号进行处理后，再分离各用户的信号，得到如下模拟结果。压缩后信号能量分布情况如图3所示。图中给出了将6条多径的原始信道压缩为单条路径（时延=3Tc）时得到的10组结果，其中横坐标为以Tc为单位的相对时延。图3表明，信道压缩以后，相对延时为3Tc的目标路径中集中了90%以上的信号能量，而分散在其他路径中的信号能量相对于信号总能量的衰减均在50dB以上。图3 压缩后信号能量分布图图4比较了多径数目分别为3、6时得到的单用户IFDMA-SIMO系统模拟结果。图中分别给出了仅对第一条路径进行检测、采用信道压缩方式及滤波器阶数与信道压缩相同的时域MMSE均衡方式得到的模拟结果以进行比较。它表明随着信道情况的恶化，本文给出的信道压缩算法仍能较好地抑制图4 多径数目对IFDMA-SIMO系统性能的影响符号间干扰，达到较好的传输性能，且比采用滤波器阶数相同的均衡算法可以有高于8dB的改进。图5比较了用户数分别为1、4、8时的IFDMA-SIMO系统性能。结果表明，在多径衰落信道中，采用信道压缩的IFDMA-SIMO系统随着用户数目的增加，系统性能几乎没有恶化，这是因为本文给出的信道压缩算法基于线性滤波原理，采用线性加权的方式在抑制多径干扰的同时很好地保持了用户信号之间的正交性，抑制了用户间信号的干扰。图5 IFDMA-SIMO多用户系统性能比较5 结束语本文基于IFDMA-SIMO系统，提出的一种信道压缩算法能在保持多用户信号正交的基础上，有效地抑制多径干扰，达到较好的性能，也同时体现了IFDMA多址系统的优越性。参考文献：1TOKER C, LAMBOTHARAN G, CHAMBERS J A, et al. Channel shortening filter design based on polynomial methodsA. Proc IEEE Vehicular Technology ConferenceC. Italy, 2004.2AL-DHAHIR N. FIR channel-shortening equalizers for MIMO ISI channelsJ. IEEE Transactions on Communications, 2001,49 (2): 213-218. 3SAMANTA R, HEATH R W J, EVANS B L, et al. Joint space-time interference cancellation and channel shorteningA. Conference Record of the Thirty-Seventh Asilomar Conference on Signals, Systems and ComputersC. USA, 2003.4SORGER U, DE B I, SCHNELL M, et al. Interleaved FDMA-a new spread-spectrum multiple-access schemeA. 1998 IEEE International Conference on CommunicationsC. USA, 1998.5SCHNELLL M, DE B I. Inter