高铁环境下MIMO-OFDM系统中的载波间干扰自消除

王军华,焦戊臣,方勇

(上海大学通信与信息工程学院,上海 200444)

高铁环境下MIMO-OFDM系统中的载波间干扰自消除

王军华,焦戊臣,方勇

(上海大学通信与信息工程学院,上海 200444)

高铁(high-speed train,HST)无线信道具有非平稳时变特性,针对高铁环境下的多入多出-正交频分复用(multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing,MIMO-OFDM)系统,提出一种载波间干扰(inter-carrier interference,ICI)自消除和迫零(zero forcing,ZF)均衡联合算法.在接收端,利用循环前缀(cyclic prefix,CP)序列,对每个OFDM符号序列抽取子序列并线性平均加权以实现ICI自消除,然后再对新的ICI减小的OFDM符号序列采用ZF均衡算法进行均衡,最后通过硬判决检测得到发送信号.仿真实验表明,利用CP序列能有效减小ICI,从而提高载波干扰比(carrier-to-interference ratio, CIR).对于误码率(bit error rate,BER)性能,该联合算法优于直接ZF均衡算法,能够保证较好的通信质量.

高铁信道;多入多出-正交频分复用系统;载波间干扰自消除;迫零均衡

Key words:high-speed train channel;multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing(MIMO-OFDM)system;inter-carrier interference self-cancellation;zero forcing equalization

高铁是一种快速轨道交通工具,速度在200 km/h以上,这就使得高铁环境下的通信特性与陆地蜂窝通信特性大为不同,主要表现为以下几点[1]:①高铁大多数运行在城市郊区、乡村地带、丘陵、高架桥和隧道等特殊地貌,使得通信信道呈多样化特征;②高铁运行地域以空旷地带占大多数,障碍物较少,因此存在较强的直射径(line of sight,LOS),并且信道时延散射分量较少,是大信噪比环境;③列车行驶速度很快,使得存在较大的多普勒频偏和快速频偏.这些特征使得高铁信道不仅是快速时变的,而且是非平稳的[2].由于正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)系统对时域选择性相对敏感,且高铁信道在一个OFDM符号周期内快速变化,从而破坏了载波间的正交性,引起载波间干扰(inter-carrier interference,ICI),可能导致OFDM系统的误码率(bit error rate,BER)性能急剧下降.

关于ICI的消除,目前已有广泛的研究.由于ICI自消除方法的复杂度比其他方法要低[3],使得ICI自消除研究得到了广泛关注.ICI自消除方法的核心思想是,通过对发射信号和接收信号进行处理来实现ICI内部相互抵消[4-5].然而,本工作主要研究的ICI自消除方法是利用循环前缀(cyclic prefix,CP)来实现ICI自消除,然后再结合其他方法实现ICI的联合消除.文献[6]最先提出利用CP来实现ICI自消除,即利用CP序列在发射端安装一个预处理器,在接收端安装一个后处理器,并证明当CP序列中未被干扰部分的长度等于OFDM符号的长度时,可以完全消除ICI,最后针对CP序列长度的选取,给出了通用方案.随后,文献[3,7-9]提出各种启发式合并权值方法来改进文献[6]中发射端和接收端的两个处理器.文献[10]基于迫零(zero forcing,ZF)均衡算法提出了一种低复杂度的ICI消除方法.本工作利用CP序列,提出一种ICI自消除和ZF均衡联合算法.在接收端,利用CP序列对每个OFDM符号序列抽取子序列并线性平均加权,以实现ICI自消除,然后再对新的ICI减小的OFDM符号序列采用ZF均衡算法进行均衡,最后通过硬判决检测得到发送信号.

1 系统模型

设定一个有MT个发射天线和MR个接收天线的多入多出-正交频分复用(multipleinput multiple-output orthogonal frequency division multiplexing,MIMO-OFDM)系统,每个OFDM符号包含N个载波.Xp(k)是第p(1 6 p 6 MT)个发射天线第k(0 6 k 6 N−1)个载波上的发送数据,经快速傅里叶逆变换(inverse fast Fourier transform,IFFT)后,第p个发射天线上的时域信号

在高铁环境下,由于基站和列车之间的障碍物较为稀疏,从而存在一条较强的直射径和若干条非直射径(non-line-of-sight,NLOS),因此常常将高铁信道建模为莱斯衰落信道[11].针对高铁信道模型,文献[12]给出了一个非平稳基于地理的概率模型(non-stationary geometry-based stochastic model,Non-Stationary GBSM),从基站第p个发射天线到高速列车第q(1 6 q 6 MR)个接收天线的离散时域信道冲激响应为

式中,

其中L,Kpq,fc,fmax,ts,rR,S分别为信道多径数、莱斯因子、载频、最大多普勒频偏、抽样间隔、列车行驶方向、散射体数,τpq为信号从第p个发射天线直接到第q个接收天线的传输时间,τpq,n1为信号从第p个发射天线经第n1个散射体反射后到第q个接收天线的传输时间,为第p个发射天线直射径的到达角,为第n1个散射体到列车天线的到达角,ψn1为一个随机相位,在[−π,π)内满足独立均匀同分布.

然后,在每个OFDM符号中插入CP,经上述非平稳GBSM高铁信道传输至接收端.去CP后,接收端第q个接收天线上的时域信号表示为如下抽头时延线性(tapped delay line, TDL)模型[13]:

式中,hp,q(n,l)为第p个发射天线到第q个接收天线之间信道第l条径第n时刻的信道冲激响应,wq(n)为第q个接收天线上第n时刻的加性高斯白噪声(additive white Gaussian noise, AWGN),其均值为0,方差为.

时域接收信号yq(n)经快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)后得到第q个接收天线上的频域信号

将式(1)和(6)代入式(7),整理得

2 ICI自消除和ZF均衡联合算法

在OFDM系统中,若通过插入CP来消除符号间干扰(inter-symbol interference,ISI),通常假设CP序列的长度大于信道最大时延,从而实现完全消除ISI.如假设CP序列长度为Ng,信道最大时延为L−1,则有Ng>L−1.由此可知,每个OFDM符号的CP序列中只有前L−1个数据受到前一个OFDM符号的干扰,后Ng−L+1个数据没有受到干扰.大多数已有的研究和方法中没有利用这后Ng−L+1个数据,造成了一定的传输资源浪费.因此,一些学者[3,6-9]开始关注和研究如何利用这段未被干扰的数据资源.本工作利用CP序列,提出一种ICI自消除和ZF均衡联合算法.在接收端,利用CP序列中未被干扰的序列对每个OFDM符号序列抽取子序列,并线性平均加权以实现ICI自消除,然后再对新的ICI减小的OFDM符号序列采用ZF均衡算法进行均衡,最后通过硬判决检测得到发送信号.

2.1 ICI自消除过程

对于接收端,第q个接收天线上收到的时域信号序列为

其中每个元素可表示为yq(n),−Ng6 n 6 N−1.由于yq中的前L−1个数据已被前一个OFDM符号干扰,故从除去前L−1个数据后的剩余数据中抽取由相邻N个数据组成的时域子序列(见图1).所有子序列(共Ng−L+2个)如下:

图1 接收端抽取时域子序列Fig.1 Extracting time-domain subsequences at the receiver

然后,线性平均加权合并上述频域子序列,便得到一个新的ICI减小且长度为N的OFDM符号序列Zq,其中的每个信号可表示为

式中,D=Ng−L+1.联合式(1),(11),(12)和(13),Zq(k)可整理为

比较式(10)和(14)可以发现,期望信号项系数相等,而ICI项系数不等.并且证明得出式(14)中的ICI项系数小于式(10)中的ICI项系数,即有

2.2 ZF均衡过程

成功消除ICI后,采用ZF均衡器对接收序列进行均衡.为求得对应的均衡器,采用矩阵形式进行表述.设第p个发射天线上的发送数据序列Xp=[Xp(0),Xp(1),…,Xp(N−1)]T,傅里叶变换矩阵为F(维数为N×N),傅里叶逆变换矩阵为FH,则第p个发射天线上的时域发射序列为

假定从第p个发射天线到第q个接收天线对应的时域信道矩阵为

则接收端第q个天线上接收到的时域序列为

经傅里叶变换后,第q个天线上接收到的频域序列为

将式(19)和(21)代入式(22),则式(22)可写为

令Mp,q=FHp,qFH,则式(23)可简写为

最后,通过硬判决检测出发送数据序列.

在此简要剖析一下本工作提出的联合算法的有效能力.本联合算法的关键与核心之处在于循环前缀长度的选取,CP越长,消除能力越强.而实际CP长度的选取与信道多径最大时延有直接关系,故本联合算法性能的好坏与CP长度的选取密切相关,与传输速率关联不大.而CP长度的选取指标与信道多径最大时延密切相关.

3 实验仿真

下面通过实验仿真证明本工作提出的ICI自消除和ZF均衡联合算法(以下简写为CPZF联合算法)对高铁环境下MIMO-OFDM系统中的ICI有较好的消除能力.实验采用的高铁信道模型是非平稳GBSM[12],并且用载波干扰比(carrier-to-interference ratio,CIR)来衡量ICI对期望信号的干扰程度,其中CIR是期望信号功率与ICI功率之比.系统仿真参数如表1所示.信道多径数通常为2∼8,实际通常选取CP长度为信道多径最大时延的4倍.由于接收端采用的接收模型是抽头时延线性模型,且最大时延离散化为L−1,故当前符号的CP序列受前一符号的干扰深度为CP的前L−1个.首先仿真验证采用CP序列中未被干扰的序列来自消除ICI的消除效果.设期望信号载波为k=0,当列车速度变化时,期望信号功率和ICI功率以及对应的CIR值的变化特性曲线如图2和3所示.

表1 系统仿真参数Table 1 Simulated system parameters

经过上述对期望信号功率、ICI功率和CIR的仿真与分析,进一步验证本工作提出的CPZF联合算法对应的误码率(bit error rate,BER)性能(见图4和5).基于表1系统仿真参数的基础上,图4为假设信噪比(signal noise ratio,SNR)为13 dB时,BER随列车速度的变化曲线;图5为假设列车速度分别为300,400和500km/h时,BER随SNR的变化曲线.

图2 车速变化时期望信号功率和ICI功率的变化曲线Fig.2 Desired signal power and ICI power curves when the train speed changes

图3 CIR随车速的变化曲线Fig.3 CIR curves when the train speed changes

图4 BER随车速的变化曲线Fig.4 BER curves when the train speed changes

图5 BER随SNR的变化曲线Fig.5 BER curves when SNR changes

从图4中可以看出,所提出的CP-ZF联合算法对应的BER性能明显优于标准MIMOOFDM系统和ZF均衡方法.由图5的进一步仿真可知,所提出的CP-ZF联合算法的BER明显低于标准MIMO-OFDM系统和ZF均衡方法.可见,所提出的CP-ZF联合算法能有效降低BER,从而保证较好的通信质量.

4 结束语

针对高铁非平稳时变信道下MIMO-OFDM系统中的ICI问题,本工作提出了一种ICI自消除和ZF均衡联合算法.在接收端,利用CP序列中未被干扰的序列,对每个OFDM符号序列抽取时域子序列并进行FFT变换后再线性平均加权,从而实现ICI自消除;然后再对新的ICI减小的OFDM符号序列采用ZF均衡方法进行均衡,最后通过硬判决检测得到发送信号.通过实验仿真表明:利用CP序列中未被干扰的序列能有效减小ICI,从而提高CIR.对于BER性能,由仿真结果可以看出,所提出的CP-ZF联合算法优于直接ZF均衡算法,能够保证较好的通信质量.

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[13]Jeon W,Chang K,Cho Y.An equalization technique for orthogonal frequency division multiplexing system in time-variant multipath channel[J].IEEE Transactions on Communications, 1999,47(1):27-32.

附录A

式(18)的证明过程如下:分别重写式(10)和(14)中的ICI项系数

比较式(A3)和(A4)可知,若想证得Gp,q(m,k)>(m,k),只需证得Q(m,l)>Q′(m,l).具体证明过程如下:由式(2)可知,高铁环境下的信道冲击响应

为ICI因子,则F直接决定了Q(m,l)与Q′(m,l)的大小关系.当D趋于N−1时,即

Inter-carrier interference self-cancellation for MIMOOFDM systems in high-speed train environment

WANG Jun-hua,JIAO Wu-chen,FANG Yong
(School of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Wireless communication channels for high-speed train(HST)systems are nonstationary and time-varying.A joint algorithm of inter-carrier interference(ICI)selfcancellation and zero forcing(ZF)equalization is proposed for multiple-input multipleoutput orthogonal frequency division multiplexing(MIMO-OFDM)systems used in the HST environment.At the receiver,cyclic prefix(CP)and linear weight average,and combing the subsequences extracted from each OFDM symbol are used to achieve ICI selfcancellation.The new OFDM symbol with ICI reduced is equalized by ZF equalization. The transmitted signal is then obtained by hard decision.Simulation results show that ICI can be effectively reduced by using CP,and the carrier-to-interference ratio(CIR)is raised.Besides,the proposed algorithm outperforms the ZF equalization method in terms of bit error rate(BER),and therefore ensures better quality of communications.

TN 929.52

A

1007-2861(2015)05-0536-11

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.016

2014-09-03

国家自然科学基金资助项目(61271213);教育部博士点基金资助项目(20133108110014)

方勇(1964—),男,教授,博士生导师,博士,研究方向为通信信号处理、盲信号处理和智能信息系统. E-mail:yfang@staff.shu.edu.cn