OFDM系統(tǒng)中的一種低復(fù)雜度帶狀I(lǐng)CI抑制算法

陳東華，仇洪冰

(1. 華僑大學信息科學與工程學院 福建 廈門 362021; 2. 西安電子科技大學通信工程學院 西安 710071;3. 桂林電子科技大學信息與通信學院 廣西 桂林 541004)

OFDM系統(tǒng)中的一種低復(fù)雜度帶狀I(lǐng)CI抑制算法

陳東華1,2，仇洪冰1,3

(1. 華僑大學信息科學與工程學院 福建 廈門 362021; 2. 西安電子科技大學通信工程學院 西安 710071;3. 桂林電子科技大學信息與通信學院 廣西 桂林 541004)

針對時變信道OFDM系統(tǒng)中的子載波間干擾(ICI)抑制問題，基于時變信道頻域響應(yīng)矩陣(CFR)的帶狀近似，提出一種低復(fù)雜度雙迭代均衡方案。通過調(diào)整CFR矩陣的帶寬大小，有效實現(xiàn)了性能和復(fù)雜度之間的良好折中。在檢測過程中，首先利用線性ICI抵消降低了由于CFR矩陣的帶狀近似造成的性能惡化，其次通過迭代軟干擾抵消檢測算法來獲得由信道時變帶來的多普勒分集增益。理論分析和仿真結(jié)果表明，同傳統(tǒng)線性最小均方誤差時變信道均衡算法相比，該算法同時具有性能和復(fù)雜度的優(yōu)勢。

均衡器; 子載波間干擾; 正交頻分復(fù)用; 時變信道

在高速移動通信中，無線信道的時變引起的多普勒頻移會破壞OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性，導致子載波間干擾(ICI)并惡化系統(tǒng)性能[1]。

目前，抑制OFDM系統(tǒng)子載波間干擾的主要方法有頻域均衡[2-3]、時域均衡[4]、ICI自抵消[5-6]等。文獻[2-3]基于信干噪比最大化排序進行頻域均衡，需要復(fù)雜的矩陣求逆，且需要大量的排序操作。文獻[4]在時域上進行每子載波均衡，復(fù)雜度仍較高，且ICI自抵消方案以犧牲頻率利用率為代價。根據(jù)時變產(chǎn)生的ICI主要來自相鄰的子載波，忽略間隔較遠的子載波的ICI。文獻[7-10]分別提出了幾種低復(fù)雜度ICI抑制算法。文獻[7]提出低復(fù)雜度帶狀MMSE線性均衡器(BLE)，BLE通過帶狀矩陣的LDL分解來降低矩陣求逆的復(fù)雜度，其復(fù)雜度與子載波數(shù)呈線性關(guān)系，但是帶外被忽略的ICI會帶來均衡器的誤碼率地板效應(yīng)。文獻[8]提出單抽頭均衡結(jié)合部分ICI抵消的迭代算法，但單抽頭均衡器的性能受ICI的影響較大。文獻[9-10]提出基于時域加窗的ICI抑制算法，該方法需要已知精確的時變信道多普勒頻移，但實際中很難得到該參數(shù)的精確估計。本文根據(jù)ICI的分布隨子載波間隔增大而逐漸減小的現(xiàn)象，提出一種新的迭代ICI抑制算法，該算法包含兩級，第一級進行低復(fù)雜度帶狀LMMSE均衡，并利用檢測的符號對帶外ICI進行干擾抵消以消除帶外ICI對帶內(nèi)信號的影響；第二級利用帶外ICI抵消后的接收信號執(zhí)行帶內(nèi)軟干擾抵消均衡，以進一步抑制帶內(nèi)ICI。該算法能有效降低帶外ICI引起的地板效應(yīng)，且復(fù)雜度與性能之間可以實現(xiàn)折中。

1 ICI分析

2 迭代ICI抑制

給定CFR矩陣H，接收機可按如下LMMSE準則均衡得到發(fā)送信號的估計：

圖1 CFR矩陣的帶狀近似示意圖

定義近似后的頻域信道響應(yīng)矩陣為HD，其第(k,u)個元素可表示為：即HD由H的主對角及D個上下對角線元素構(gòu)成?；诖?，文獻[7]提出用帶狀矩陣HD取代H進行LMMSE均衡，即：

圖2 帶狀矩陣的分割示意圖

2.1 第一級迭代

第一級的每一次迭代分為兩步，首先進行帶內(nèi)低復(fù)雜度帶狀均衡得到初始均衡值；其次，用均衡后的判決輸出?s進行帶外ICI抵消。第i次迭代的數(shù)學表達式為：

式(11)可利用帶狀矩陣的LDL分解來降低矩陣求逆的復(fù)雜度。利用帶外ICI抵消后的接收信號(i+1)y再進行帶狀均衡，依次迭代直到收斂或達到預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)。迭代過程的第一步可以看作是按最小均方誤差準則的帶內(nèi)ICI抑制，第二步是帶外ICI消除。其中，帶內(nèi)和帶外帶寬D1和D2可根據(jù)復(fù)雜度及性能要求靈活調(diào)整。

2.2 第二級迭代

經(jīng)第一級迭代后，接收信號中帶外ICI的影響得以降低，如果 s = s?，則考慮的帶外ICI項都被抵消，接收信號僅包含帶內(nèi)ICI，不再受到帶外ICI的影響，因此，利用第一級得到的接收信號，第二級只需在帶內(nèi)執(zhí)行ICI抑制以抑制帶內(nèi)ICI的影響。迭代軟干擾抵消LMMSE均衡[9-12]是一種有效的多符號分離算法，第二級中，用該算法執(zhí)行帶內(nèi)ICI軟抵消進一步抑制了ICI的影響。

當所有N個子載波估計以及它們的先驗信息更新完畢后，利用更新的先驗信息重新按式(13)和式(14)得到新的子載波估計，以此類推進行迭代檢測，直到收斂或達到預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)。

2.3 復(fù)雜度分析

3 仿真分析

圖3給出了本文算法在D1=2和D2=6時的誤比特率(BER)性能曲線，并給出了D=12時的帶狀LMMSE均衡算法的BER性能曲線。由圖可見，經(jīng)過第一級迭代，帶外ICI得到抑制，性能得到改善；第二級迭代進一步抑制帶內(nèi)ICI。經(jīng)兩級迭代后，帶內(nèi)帶外ICI同時得到抑制，性能有了明顯提高。此時本文算法比D=12時的帶狀LMMSE均衡算法節(jié)省了3%的復(fù)乘運算，因此同傳統(tǒng)帶狀LMMSE均衡算法相比，兩級迭代均衡算法以更低的復(fù)雜度獲得了更好的系統(tǒng)性能。

圖3 本文算法與帶狀LMMSE均衡算法的性能比較

圖4和圖5分別給出了本文算法在帶內(nèi)外帶寬分別為D1和 D2=N?D1- 1時系統(tǒng)的BER性能，即帶外ICI包含除帶內(nèi)的所有ICI。圖4和圖5分別對應(yīng)D1= 2 和D1=4的情況，與圖3比較，由于考慮了更多的帶外ICI，性能得到顯著的提高。該兩圖還給出了傳統(tǒng)LMMSE(全LMMSE)均衡算法的性能曲線。仿真結(jié)果表明，本文算法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LMMSE均衡算法，這是由于信道時變引起ICI的同時，使得某一發(fā)射子載波的能量分散在各接收子載波上，意味著信道的時變帶來了時間分集作用，因此，通過在每一次迭代過程中逐步抵消ICI，使得帶狀LMMSE均衡器能充分利用時間分集增益來提高均衡性能。全LMMSE均衡器雖然考慮了所有ICI，但全LMMSE均衡算法是在MSE最小準則下進行的ICI抑制，在嚴重的子載波間干擾下，時間分集效應(yīng)得不到有效利用，因此本文迭代算法能獲得比全LMMSE均衡器更好的均衡性能。該情況下本文的算法復(fù)雜度為 O (N2)，傳統(tǒng)LMMSE算法的復(fù)雜度為 O (N3)，因此相對于傳統(tǒng)ICI抑制算法，本文算法同時具有復(fù)雜度和性能的優(yōu)勢，而且CFR矩陣的帶內(nèi)外帶寬可以靈活調(diào)整，可實現(xiàn)復(fù)雜度與性能之間的折中。

圖4 D1=2，D2=N?D1?1時系統(tǒng)的性能

圖5 D1=4，D2=N?D1?1時系統(tǒng)的性能

4 結(jié) 束 語

本文針對時變信道環(huán)境下OFDM系統(tǒng)的子載波間干擾抑制問題，根據(jù)時變信道CFR矩陣中非對角線信道響應(yīng)值反應(yīng)ICI功率的大小，ICI功率隨對角線距離的增大而逐漸減小的現(xiàn)象，提出了一種兩級迭代ICI抑制算法，該算法能有效地提高系統(tǒng)性能，具有較低的實現(xiàn)復(fù)雜度，并且根據(jù)復(fù)雜度與性能的要求，該算法可實現(xiàn)兩者之間的折中，便于系統(tǒng)實現(xiàn)。

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編 輯 張 俊

Low-Complexity Banded ICI Mitigation Scheme for OFDM Systems

CHEN Dong-hua1,2and QIU Hong-bing1,3

(1. College of Information Science & Engineering, Huaqiao University Xiamen Fujian 362021;2. School of Telecommunications Engineering, Xidian University Xi’an 710071;3. School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology Guilin Guangxi 541004)

Aiming at mitigating intercarrier interference (ICI)caused by channel time variation in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)systems, a low-complexity doubly iterative equalization scheme is proposed by exploiting the approximately banded structure of channel frequency response (CFR)matrix. The scalability of band size of CFR matrix enables a good tradeoff between performance and complexity. In this scheme, a linear ICI canceller is used to reduce performance degradation caused by the band approximation of CFR matrix, and an iterative equalizer with soft interference cancellation is employed to gain the Doppler diversity induced by channel time variation. Theoretic analysis and simulation results indicate that the proposed technique has both performance and complexity advantages over the classic linear minimum mean square error (MMSE)equalizer in time varying channels.

equalizers; intercarrier interference; orthogonal frequency division multiplexing; time varying channels

TN911.5

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2011.03.008

2009- 12- 02;

2010- 12- 10

國家自然科學基金(60962001)

陳東華(1977- )，男，博士生，主要從事寬帶無線數(shù)字通信方面的研究.