基于多种调制方式的空时OFDM系统多用户检测技术

(郑州大学 信息工程学院,郑州 450001)

1 引 言

多输入多输出(MIMO)与正交频分复用(OFDM) 技术相结合的MIMO-OFDM技术被视为下一代高速无线局域网的核心技术[1]。一方面，MIMO技术可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率，成倍地提高系统容量；另一方面，OFDM解决了MIMO对抗频率选择性衰落和符号间干扰的局限性。近年来，以Alamouti结构为代表的正交空时分组码(STBC)通过在发射端采用特殊设计的信道码结合接收端的信号处理获得了高频谱效率的发射分集增益，STBC与OFDM结合的空时OFDM系统，由于其结构简单、译码复杂度低且在提高频谱效率的发射分集增益方面具有巨大潜力而受到广泛关注。

目前，针对空时编码的设计和应用已进行了一定的研究，但这些主要是针对单用户系统[2-3]。在无线通信中，多用户共享有限的频谱资源是不可避免的，因此可靠的多用户检测算法对提高整个系统的性能至关重要。近年来，多用户检测的研究主要集中在寻求低复杂度和高性能的检测器方面，有许多研究者结合编码、子空间等提出针对MIMO-OFDM系统的多用户信号检测技术。文献[4]研究了在STBC OFDM系统中基于最小均方误差的接收算法，并显示出较好的检测性能。文献[5]对经典的迫零算法、最小均方误差算法、排序及非排序干扰抵消检测算法进行了分析，得出排序迭代干扰消除接收机与非排序接收相比大大提高了接收机性能，但是计算量有所增加。

在CQMM的基本框架下，课题组以如下方式引入家庭负债率变动所产生的这两条传递渠道：首先，假定居民负债率的变化是外生的。其次，建立居民负债率的变动对居民贷款和存款的影响机制。在贷款方面，构建行为方程由居民负债率和GDP共同决定居民贷款；在存款方面，居民负债率将决定居民消费，进而决定居民存款。最后，定义居民贷存比为居民贷款与居民存款之比，将其与一年期人民币基准贷款利率作为解释变量，对资金市场的加权利率进行回归，以此内生化资本市场的利率决定。

本文构建了多用户的STBC OFDM系统，并把抑制用户间干扰的基于最小均方误差算法的串行干扰消除检测推广到该系统中，仿真得到多个用户在不同的调制方式下的误码率曲线。

2 系统模型

考虑一个同步的空时分组码MIMO-OFDM系统的上行链路，在同一小区同一时隙有K个用户，每个用户配备双发射天线，基站接收机有M根接收天线，假定接收天线间的距离足够远以保证不同接收天线收到的信号经历相互独立的衰落。每个OFDM符号包含N个子载波，子载波上空间子信道H中的元素是用户在第n(n=1，2，3,…，N)个子载波上不同发射/接收天线之间的信道频率响应。这里假设发射接收天线之间的信道是服从均值为0、方差为1的独立同分布复高斯随机向量。

l=K

以第k个用户为例，发送信息为二进制比特流，采用M0进制(m=lbM0)的调制方式和Alamouti空时分组编码方案，用向量X(n)表示一个OFDM符号，经过空时编码器，输出如下所示：

优化成本效益。陶熙TM7687保护膜用压敏胶是一种高固体含量/高粘合力铂金固化压敏胶，专为要求高粘合力的客户设计。同时，高固体含量压敏胶能更为有效地应用于配制保护膜用涂料。相比低粘合力压敏胶，高固体含量/高粘合力压敏胶在提升效率和性能的同时，使成本效益获得优化。

(1)

盐酸处理含锌渣会产生大量氯离子的溶液，造成污染与浪费。相较而言，硫酸处理效果较好，提锌效率高，但处理过程中对硫酸要求浓度高且用量大，有失经济性。

(2)

本系统中设信道在连续两个OFDM符号连续时间内不变化，当考虑两个连续的OFDM符号时，式(2)写成矩阵形式：

R[n]=H[l,n]X[n]+η[n]

(3)

式(3)中：

古生物学家在南美洲发现了大量巨型蜥脚类恐龙，其中包括阿根廷龙、普尔塔龙、巴塔哥巨龙等。在自然界中，哪里有巨型蜥脚类恐龙，哪里就会有以它们为食的巨型兽脚类恐龙，而马普龙就是这些食肉恐龙中的佼佼者。

(4)

X[n]=[X[l,n],X[l+1,n]]

(5)

(6)

(7)

频域信道矩阵：

H[l,n]=

(8)

式(8)其构成：

他辩证地认为，现如今的出家热，有好也有坏，短修亦可。好在高素质的人才涌进寺庙，精英化的僧人也许就不会干出“尿罐子”的事来。但他也有经世致用的说辞，对于龙泉寺里那些理工科博士，他说国家花了大力气培养，就这么一去不回，可惜了。

3 空时多用户接收机

图3仿真了3个用户经过MMSE和MMSE-SIC接收机之后每个用户的BER，3个用户分别采用BPSK、QPSK和16QAM调制。从图中可以看出，MMSE-SIC接收时采用BPSK调制的用户比采用QSPK和16QAM调制的用户BER性能要好。随着星座图中星座点间距的缩小，误码概率会上升。BER为10-2处对于MMSE算法，采用BPSK调制比采用QSPK和16QAM调制的用户有0.8 dB、7.5 dB增益。对于MMSE-SIC算法，采用BPSK调制比采用QSPK和16QAM调制的用户有0.5 dB、4.3 dB增益。

“人文底蕴是文明人的基本标识，主要包括人文积淀、人文情怀及审美情趣。”[2]语文教学本身是人文传播的一种具象化途径，通过“部编本”语文教材的识字学习，学生将会发现，点滴细节皆为知识，生活百态亦是文化，为达到学习目的，学生将自发关照社会实际，积极参与社会实践，在关注与实践中不断积淀人文底蕴，增强“文明人”的标识度。

MMSE算法[5]采用线性的估计矩阵G来估计向量X，使得估计向量与原始向量的误差的平方最小，即：

(9)

可以得到估计矩阵G的表示式为

式(1)中的两行分别在时刻1和时刻2发射，每行的第一个元素从第一根天线发射，第二个元素从第二根天线发射。

(10)

式中，N0是噪声方差，Eb是发送信号能量，ITx*usernum是酉矩阵。

采用联合干扰抑制和干扰消除的接收算法，在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，每一级只检测一个用户信号，操作顺序是根据信号信噪比或均方误差(MSE)[9]，信噪比或均方误差大的信号先进行操作，每级输出的是信噪比或均方误差大的用户的数据判决和去除该用户造成的MAI以后的接收信号，这样就可以将多址干扰的影响降到最低，大大增加检测的可靠性。接收端框图如图1所示。

试验场地选定为临近河边的场地，地层为回填土，地下超过5 m为湿泥，黏性比较大。选用的钻具外径为60 mm，钻杆外径51 mm，实验深度为5 m时，通过液压绞车起拔钻杆顺利提出。实验深度超过8 m时，利用液压绞车难以起拔，绞车的支撑架发生变形。液压绞车额定拉力为10 kN，加装一个动滑轮，使得实际拉力达到20 kN，质量60 kg。实验深度达到15 m时，使用钢球夹紧起拔器起拔钻杆，顺利提出，起拔出来的钻杆裹满黏性湿泥。由于只带了17根钻杆，最终实验深度为17 m。利用钢球夹紧液压起拔器起拔钻杆时，一次可起拔多根钻杆，且省掉桅杆结构，进一步减轻钻机整体重量。

图1 STBC OFDM 系统接收框图Fig.1 Block diagram of STBC OFDM transceiver

在算法开始时按照估计信号的均方误差的降序来确定估计用户顺序。假设收端已知信道状态信息，在一个发送符号间隔，MMSE-SIC检测算法流程如下：

学生对运动技能的掌握评价，一直没有统一的标准，学生掌握技能达到什么等级了，老师不清楚、学生不了解。《标准》能较为客观反映出个体运动技能水平的变化，经过一段时间的学习后参加《标准》测试，就可以看出个体的学习以及运动技能掌握情况。

(2) 递归

l=1,2,3,…，K[j]，计算

(1) 初始化

(3)循环结束

图2给出了一个基于空时分组码的同步MIMO-OFDM系统，每个移动终端配备两根发射天线，调制方式为QPSK，采用Alamouti的空时分组码方案，OFDM子载波数为512，循环前缀为113。从图2可以看出，MMSE-SIC算法对系统的BER性能有较大改善。例如在用户数为2、接收天线为2时，在BER为10-2处相对于MMSE算法有2.5 dB增益，相对于ZF算法有3.5 dB增益。在用户数为2、接收天线为4时，在BER为10-3处相对于MMSE算法有4.5 dB增益，相对于ZF算法有6.1 dB增益。双发送天线的4用户系统比2用户系统性能要好，那是因为增加接收天线数，分集增益提高，同时也提高了多用户增益。随着接收天线和用户数的增多，非线性检测MMSE-SIC算法与常规的线性算法之间的BER性能差距进一步增大，说明这种方法更适用于采用多天线分集接收的系统。

(3) 随胡杨林退化程度加剧，林地土壤沙化、土壤持水贮水性能和调节水分供应的潜在能力降低，而且会加快干旱区土壤蒸发，增强干旱胁迫并抑制荒漠植被对土壤有效水分的利用与正常生长，导致荒漠植被衰败和生态系统退化，进而威胁到绿洲的生态安全。

4 仿真实验结果

下面采用计算机仿真来验证算法的可行性。在频率选择性衰落信道下，假定接收端已经得到准确的信道统计信息，定义信噪比为信息比特功率和噪声功率之比。

基于MMSE-SIC的多用户检测算法采用兼顾抑制干扰与噪声的MMSE准则进行滤波，与采用ZF准则进行滤波的ZF-SIC相比，可以有效地克服噪声增强的问题，提高检测性能。而且，由于采用了优化排序消除干扰，MMSE-SIC能获得比线性的MMSE检测以及未排序的MMSE-SIC检测更好的性能，在略微增加系统时间复杂度的基础上,使系统检测性能得到了明显改善。

图2 多个用户数检测算法的比较Fig.2 Performance compairison for different multiuser detection algorithms

由于传统的最优化多用户检测[6]的复杂度随用户数目的增加呈指数增长，难以付诸于实时应用，因此研究各种具有良好性能和较低复杂度的次优方案[7-8]具有重要意义。本文在MMSE检测算法的基础上，仿真了MMSE-SIC算法，通过迭代运算获得每个用户的发射信号。

定理 1.3 设{Xt,t≥0}是参数为λ的自激滤过的泊松过程,如果∀t2≥t1≥0, E|Xt1Xt2|<∞且∀n，E[wn]<∞,则(Xt1,Xt2)的协方差为

图3 同一用户不同调制方式下检测算法的比较Fig.3 Comparison of different modulation schemes under the same user detection algorithm

5 结 论

MIMO-OFDM接收机复杂度较高，具体算法实现时,不得不在性能和复杂性之间进行权衡。针对MIMO-OFDM多用户检测的特点, 采用基于MMSE的串行干扰消除多用户检测技术在检测顺序优化的基础上，通过MMSE检测与判决反馈结构，在增加系统时间复杂度的基础上，有效地控制了误差传播，使系统整体性能得到提高。在实际应用时通过设定不同的调制方式和检测算法，可以在性能与复杂度之间实现灵活的系统设计。

参考文献：

[1] Nanda S,Walton R,Ketchum J,et al. A high-performance MIMO-OFDM wireless LAN[J]. IEEE Communications Magazine,2005,43(2):101-109.

[2] Huang D F,Letaief B K,Lu J H. A receive space diversity architecture for OFDM systems using orthogonal designs[J].IEEE Transactions on Wireless Conmmunications, 2004,3(3):922-1001.

[3] Lu B,Wang X D.Space-time code design in OFDMsystems[C]//IEEE Global Telecommunication Conference. San Francisco, CA:IEEE,2000: 1000-1004.

[4] Tran X N Fujino, Karasawa T Y. On performance of multiuser OFDM Systems with transmit diversity[C]// Proceedings of the 4th IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology.Rome:IEEE,2004: 421-424.

[5] 陈康,陈伟,贺智轶.分层空时码检测算法的分析与研究[J].武汉理工大学学报,2009,31(14):110-113.

CHEN Kang,CHEN Wei,HE Zhi-yi. Research and Analysis on the Detection Algorithms of the Layered Space-time Codes System[J].Journal of Wuhan University of Technology,2009,31 (14): 110-113.(in Chinese)

[6] Varanasi M K. Multistage direction in asynchronous code-division multiple-access communicaion[J]. IEEE Transactions on Communication, 1998,38(4):1107-1120.

[7] 李小蓓,王杰令,张永顺.一种V-BLAST系统的高性能联合检测算法[J].系统仿真学报,2009,21(5):1387-1389.

LI Xiao-bei,WANG Jie-ling,ZHANG Yong-shun. Joint Detection Algorithm for V-BLAST System with Higher Performance[J]. Journal of System Simulation,2009,21(5):1387-1389. (in Chinese)

[8] 张晓格,徐澄圻.联合天线选择的上行Alamouti MIMO多用户检测[J].应用科学学报,2008,3(2):162-166.

ZHANG Xiao-ge, XU Cheng-qi.Uplink multi-user alamouti MIMO detection with antenna selection[J]. Journal of Applied Sciences,2008,3(2):162-166. (in Chinese)

[9] Tran X N, Fujino T , Karasawa Y.An MMSE detector for multiuser sapce-time coded OFDM[J].IEEE Transactions on Communication,2005,7(1):141-149.