高鐵環(huán)境下MIMO-OFDM系統(tǒng)中的載波間干擾自消除

王軍華,焦戊臣,方勇

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海 200444)

高鐵環(huán)境下MIMO-OFDM系統(tǒng)中的載波間干擾自消除

王軍華,焦戊臣,方勇

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海 200444)

高鐵(high-speed train,HST)無線信道具有非平穩(wěn)時(shí)變特性,針對(duì)高鐵環(huán)境下的多入多出-正交頻分復(fù)用(multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing,MIMO-OFDM)系統(tǒng),提出一種載波間干擾(inter-carrier interference,ICI)自消除和迫零(zero forcing,ZF)均衡聯(lián)合算法.在接收端,利用循環(huán)前綴(cyclic prefix,CP)序列,對(duì)每個(gè)OFDM符號(hào)序列抽取子序列并線性平均加權(quán)以實(shí)現(xiàn)ICI自消除,然后再對(duì)新的ICI減小的OFDM符號(hào)序列采用ZF均衡算法進(jìn)行均衡,最后通過硬判決檢測(cè)得到發(fā)送信號(hào).仿真實(shí)驗(yàn)表明,利用CP序列能有效減小ICI,從而提高載波干擾比(carrier-to-interference ratio, CIR).對(duì)于誤碼率(bit error rate,BER)性能,該聯(lián)合算法優(yōu)于直接ZF均衡算法,能夠保證較好的通信質(zhì)量.

高鐵信道;多入多出-正交頻分復(fù)用系統(tǒng);載波間干擾自消除;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

高鐵是一種快速軌道交通工具,速度在200 km/h以上,這就使得高鐵環(huán)境下的通信特性與陸地蜂窩通信特性大為不同,主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)[1]:①高鐵大多數(shù)運(yùn)行在城市郊區(qū)、鄉(xiāng)村地帶、丘陵、高架橋和隧道等特殊地貌,使得通信信道呈多樣化特征;②高鐵運(yùn)行地域以空曠地帶占大多數(shù),障礙物較少,因此存在較強(qiáng)的直射徑(line of sight,LOS),并且信道時(shí)延散射分量較少,是大信噪比環(huán)境;③列車行駛速度很快,使得存在較大的多普勒頻偏和快速頻偏.這些特征使得高鐵信道不僅是快速時(shí)變的,而且是非平穩(wěn)的[2].由于正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)系統(tǒng)對(duì)時(shí)域選擇性相對(duì)敏感,且高鐵信道在一個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)快速變化,從而破壞了載波間的正交性,引起載波間干擾(inter-carrier interference,ICI),可能導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)的誤碼率(bit error rate,BER)性能急劇下降.

關(guān)于ICI的消除,目前已有廣泛的研究.由于ICI自消除方法的復(fù)雜度比其他方法要低[3],使得ICI自消除研究得到了廣泛關(guān)注.ICI自消除方法的核心思想是,通過對(duì)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)ICI內(nèi)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環(huán)前綴(cyclic prefix,CP)來實(shí)現(xiàn)ICI自消除,然后再結(jié)合其他方法實(shí)現(xiàn)ICI的聯(lián)合消除.文獻(xiàn)[6]最先提出利用CP來實(shí)現(xiàn)ICI自消除,即利用CP序列在發(fā)射端安裝一個(gè)預(yù)處理器,在接收端安裝一個(gè)后處理器,并證明當(dāng)CP序列中未被干擾部分的長(zhǎng)度等于OFDM符號(hào)的長(zhǎng)度時(shí),可以完全消除ICI,最后針對(duì)CP序列長(zhǎng)度的選取,給出了通用方案.隨后,文獻(xiàn)[3,7-9]提出各種啟發(fā)式合并權(quán)值方法來改進(jìn)文獻(xiàn)[6]中發(fā)射端和接收端的兩個(gè)處理器.文獻(xiàn)[10]基于迫零(zero forcing,ZF)均衡算法提出了一種低復(fù)雜度的ICI消除方法.本工作利用CP序列,提出一種ICI自消除和ZF均衡聯(lián)合算法.在接收端,利用CP序列對(duì)每個(gè)OFDM符號(hào)序列抽取子序列并線性平均加權(quán),以實(shí)現(xiàn)ICI自消除,然后再對(duì)新的ICI減小的OFDM符號(hào)序列采用ZF均衡算法進(jìn)行均衡,最后通過硬判決檢測(cè)得到發(fā)送信號(hào).

1 系統(tǒng)模型

設(shè)定一個(gè)有MT個(gè)發(fā)射天線和MR個(gè)接收天線的多入多出-正交頻分復(fù)用(multipleinput multiple-output orthogonal frequency division multiplexing,MIMO-OFDM)系統(tǒng),每個(gè)OFDM符號(hào)包含N個(gè)載波.Xp(k)是第p(1 6 p 6 MT)個(gè)發(fā)射天線第k(0 6 k 6 N?1)個(gè)載波上的發(fā)送數(shù)據(jù),經(jīng)快速傅里葉逆變換(inverse fast Fourier transform,IFFT)后,第p個(gè)發(fā)射天線上的時(shí)域信號(hào)

在高鐵環(huán)境下,由于基站和列車之間的障礙物較為稀疏,從而存在一條較強(qiáng)的直射徑和若干條非直射徑(non-line-of-sight,NLOS),因此常常將高鐵信道建模為萊斯衰落信道[11].針對(duì)高鐵信道模型,文獻(xiàn)[12]給出了一個(gè)非平穩(wěn)基于地理的概率模型(non-stationary geometry-based stochastic model,Non-Stationary GBSM),從基站第p個(gè)發(fā)射天線到高速列車第q(1 6 q 6 MR)個(gè)接收天線的離散時(shí)域信道沖激響應(yīng)為

式中,

其中L,Kpq,fc,fmax,ts,rR,S分別為信道多徑數(shù)、萊斯因子、載頻、最大多普勒頻偏、抽樣間隔、列車行駛方向、散射體數(shù),τpq為信號(hào)從第p個(gè)發(fā)射天線直接到第q個(gè)接收天線的傳輸時(shí)間,τpq,n1為信號(hào)從第p個(gè)發(fā)射天線經(jīng)第n1個(gè)散射體反射后到第q個(gè)接收天線的傳輸時(shí)間,為第p個(gè)發(fā)射天線直射徑的到達(dá)角,為第n1個(gè)散射體到列車天線的到達(dá)角,ψn1為一個(gè)隨機(jī)相位,在[?π,π)內(nèi)滿足獨(dú)立均勻同分布.

然后,在每個(gè)OFDM符號(hào)中插入CP,經(jīng)上述非平穩(wěn)GBSM高鐵信道傳輸至接收端.去CP后,接收端第q個(gè)接收天線上的時(shí)域信號(hào)表示為如下抽頭時(shí)延線性(tapped delay line, TDL)模型[13]:

式中,hp,q(n,l)為第p個(gè)發(fā)射天線到第q個(gè)接收天線之間信道第l條徑第n時(shí)刻的信道沖激響應(yīng),wq(n)為第q個(gè)接收天線上第n時(shí)刻的加性高斯白噪聲(additive white Gaussian noise, AWGN),其均值為0,方差為.

時(shí)域接收信號(hào)yq(n)經(jīng)快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)后得到第q個(gè)接收天線上的頻域信號(hào)

將式(1)和(6)代入式(7),整理得

2 ICI自消除和ZF均衡聯(lián)合算法

在OFDM系統(tǒng)中,若通過插入CP來消除符號(hào)間干擾(inter-symbol interference,ISI),通常假設(shè)CP序列的長(zhǎng)度大于信道最大時(shí)延,從而實(shí)現(xiàn)完全消除ISI.如假設(shè)CP序列長(zhǎng)度為Ng,信道最大時(shí)延為L(zhǎng)?1,則有Ng>L?1.由此可知,每個(gè)OFDM符號(hào)的CP序列中只有前L?1個(gè)數(shù)據(jù)受到前一個(gè)OFDM符號(hào)的干擾,后Ng?L+1個(gè)數(shù)據(jù)沒有受到干擾.大多數(shù)已有的研究和方法中沒有利用這后Ng?L+1個(gè)數(shù)據(jù),造成了一定的傳輸資源浪費(fèi).因此,一些學(xué)者[3,6-9]開始關(guān)注和研究如何利用這段未被干擾的數(shù)據(jù)資源.本工作利用CP序列,提出一種ICI自消除和ZF均衡聯(lián)合算法.在接收端,利用CP序列中未被干擾的序列對(duì)每個(gè)OFDM符號(hào)序列抽取子序列,并線性平均加權(quán)以實(shí)現(xiàn)ICI自消除,然后再對(duì)新的ICI減小的OFDM符號(hào)序列采用ZF均衡算法進(jìn)行均衡,最后通過硬判決檢測(cè)得到發(fā)送信號(hào).

2.1 ICI自消除過程

對(duì)于接收端,第q個(gè)接收天線上收到的時(shí)域信號(hào)序列為

其中每個(gè)元素可表示為yq(n),?Ng6 n 6 N?1.由于yq中的前L?1個(gè)數(shù)據(jù)已被前一個(gè)OFDM符號(hào)干擾,故從除去前L?1個(gè)數(shù)據(jù)后的剩余數(shù)據(jù)中抽取由相鄰N個(gè)數(shù)據(jù)組成的時(shí)域子序列(見圖1).所有子序列(共Ng?L+2個(gè))如下:

圖1 接收端抽取時(shí)域子序列Fig.1 Extracting time-domain subsequences at the receiver

然后,線性平均加權(quán)合并上述頻域子序列,便得到一個(gè)新的ICI減小且長(zhǎng)度為N的OFDM符號(hào)序列Zq,其中的每個(gè)信號(hào)可表示為

式中,D=Ng?L+1.聯(lián)合式(1),(11),(12)和(13),Zq(k)可整理為

比較式(10)和(14)可以發(fā)現(xiàn),期望信號(hào)項(xiàng)系數(shù)相等,而ICI項(xiàng)系數(shù)不等.并且證明得出式(14)中的ICI項(xiàng)系數(shù)小于式(10)中的ICI項(xiàng)系數(shù),即有

2.2 ZF均衡過程

成功消除ICI后,采用ZF均衡器對(duì)接收序列進(jìn)行均衡.為求得對(duì)應(yīng)的均衡器,采用矩陣形式進(jìn)行表述.設(shè)第p個(gè)發(fā)射天線上的發(fā)送數(shù)據(jù)序列Xp=[Xp(0),Xp(1),…,Xp(N?1)]T,傅里葉變換矩陣為F(維數(shù)為N×N),傅里葉逆變換矩陣為FH,則第p個(gè)發(fā)射天線上的時(shí)域發(fā)射序列為

假定從第p個(gè)發(fā)射天線到第q個(gè)接收天線對(duì)應(yīng)的時(shí)域信道矩陣為

則接收端第q個(gè)天線上接收到的時(shí)域序列為

經(jīng)傅里葉變換后,第q個(gè)天線上接收到的頻域序列為

將式(19)和(21)代入式(22),則式(22)可寫為

令Mp,q=FHp,qFH,則式(23)可簡(jiǎn)寫為

最后,通過硬判決檢測(cè)出發(fā)送數(shù)據(jù)序列.

在此簡(jiǎn)要剖析一下本工作提出的聯(lián)合算法的有效能力.本聯(lián)合算法的關(guān)鍵與核心之處在于循環(huán)前綴長(zhǎng)度的選取,CP越長(zhǎng),消除能力越強(qiáng).而實(shí)際CP長(zhǎng)度的選取與信道多徑最大時(shí)延有直接關(guān)系,故本聯(lián)合算法性能的好壞與CP長(zhǎng)度的選取密切相關(guān),與傳輸速率關(guān)聯(lián)不大.而CP長(zhǎng)度的選取指標(biāo)與信道多徑最大時(shí)延密切相關(guān).

3 實(shí)驗(yàn)仿真

下面通過實(shí)驗(yàn)仿真證明本工作提出的ICI自消除和ZF均衡聯(lián)合算法(以下簡(jiǎn)寫為CPZF聯(lián)合算法)對(duì)高鐵環(huán)境下MIMO-OFDM系統(tǒng)中的ICI有較好的消除能力.實(shí)驗(yàn)采用的高鐵信道模型是非平穩(wěn)GBSM[12],并且用載波干擾比(carrier-to-interference ratio,CIR)來衡量ICI對(duì)期望信號(hào)的干擾程度,其中CIR是期望信號(hào)功率與ICI功率之比.系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示.信道多徑數(shù)通常為2～8,實(shí)際通常選取CP長(zhǎng)度為信道多徑最大時(shí)延的4倍.由于接收端采用的接收模型是抽頭時(shí)延線性模型,且最大時(shí)延離散化為L(zhǎng)?1,故當(dāng)前符號(hào)的CP序列受前一符號(hào)的干擾深度為CP的前L?1個(gè).首先仿真驗(yàn)證采用CP序列中未被干擾的序列來自消除ICI的消除效果.設(shè)期望信號(hào)載波為k=0,當(dāng)列車速度變化時(shí),期望信號(hào)功率和ICI功率以及對(duì)應(yīng)的CIR值的變化特性曲線如圖2和3所示.

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1 Simulated system parameters

經(jīng)過上述對(duì)期望信號(hào)功率、ICI功率和CIR的仿真與分析,進(jìn)一步驗(yàn)證本工作提出的CPZF聯(lián)合算法對(duì)應(yīng)的誤碼率(bit error rate,BER)性能(見圖4和5).基于表1系統(tǒng)仿真參數(shù)的基礎(chǔ)上,圖4為假設(shè)信噪比(signal noise ratio,SNR)為13 dB時(shí),BER隨列車速度的變化曲線;圖5為假設(shè)列車速度分別為300,400和500km/h時(shí),BER隨SNR的變化曲線.

圖2 車速變化時(shí)期望信號(hào)功率和ICI功率的變化曲線Fig.2 Desired signal power and ICI power curves when the train speed changes

圖3 CIR隨車速的變化曲線Fig.3 CIR curves when the train speed changes

圖4 BER隨車速的變化曲線Fig.4 BER curves when the train speed changes

圖5 BER隨SNR的變化曲線Fig.5 BER curves when SNR changes

從圖4中可以看出,所提出的CP-ZF聯(lián)合算法對(duì)應(yīng)的BER性能明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)MIMOOFDM系統(tǒng)和ZF均衡方法.由圖5的進(jìn)一步仿真可知,所提出的CP-ZF聯(lián)合算法的BER明顯低于標(biāo)準(zhǔn)MIMO-OFDM系統(tǒng)和ZF均衡方法.可見,所提出的CP-ZF聯(lián)合算法能有效降低BER,從而保證較好的通信質(zhì)量.

4 結(jié)束語

針對(duì)高鐵非平穩(wěn)時(shí)變信道下MIMO-OFDM系統(tǒng)中的ICI問題,本工作提出了一種ICI自消除和ZF均衡聯(lián)合算法.在接收端,利用CP序列中未被干擾的序列,對(duì)每個(gè)OFDM符號(hào)序列抽取時(shí)域子序列并進(jìn)行FFT變換后再線性平均加權(quán),從而實(shí)現(xiàn)ICI自消除;然后再對(duì)新的ICI減小的OFDM符號(hào)序列采用ZF均衡方法進(jìn)行均衡,最后通過硬判決檢測(cè)得到發(fā)送信號(hào).通過實(shí)驗(yàn)仿真表明:利用CP序列中未被干擾的序列能有效減小ICI,從而提高CIR.對(duì)于BER性能,由仿真結(jié)果可以看出,所提出的CP-ZF聯(lián)合算法優(yōu)于直接ZF均衡算法,能夠保證較好的通信質(zhì)量.

[1]Liu L,Tao C,Qiu J H,et al.Position-based modeling for wireless channel on high-speed railway under a viaduct at 2.35 GHz[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2012, 30(4):834-845.

[2]Ghazal A,Wang C X,Haas H,et al.A non-stationary MIMO channel model for high-speed train communication systems[C]//12th International Conference on ITS Telecommunication. 2012:7-11.

[3]Ma C Y,Liu S W,Huang C.On optimum segment combining weight for ICI self-cancellation in OFDM systems under doubly selective fading channels[C]//Vehicular Technology Conference (VTC Spring).2012:1-5.

[4]Zhao Y P,H¨aggman S G.Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobile communication systems[J].IEEE Transactions on Communications,2001,49(7):1185-1191.

[5]Ma J,Orlik P V,Zhang J Y,et al.Reduced-rate OFDM transmission for inter-subchannel interference self-cancellation over high-mobility fading channels[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2012,11(6):2013-2023.

[6]Chang M X.A novel algorithm of inter-subchannel interference self-cancellation in OFDM systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2007,6(8):2881-2893.

[7]Sheu C,Tseng M,Chen C,et al.A low-complexity concatenated ICI cancellation scheme for high-mobility OFDM systems[C]//Wireless Communications and Networking Conference.2007: 1389-1393.

[8]Sheu C,Liu J W,Huang C.A low complexity ICI cancellation scheme with multi-step windowing and modified SIC for high-mobility OFDM systems[C]//Vehicular Technology Conference. 2010:1-5.

[9]Faulkner M,Wilhelmsson L,Svensson J.Low-complex ICI cancellation for improving doppler performance in OFDM systems[C]//Vehicular Technology Conference.2006:1-5.

[10]Hsu C,Wu W R.Low-complexity ICI mitigation methods for high-mobility SISO/MIMOOFDM systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(6):2755-2768.

[11]3GPP.Release 6.TS 22.105 V6.2.0 3rd generation partnership project,technical specification group services and system aspects,service aspects;services and service capabilities[S].Nice: 3GPP,2003.

[12]Ghazal A,Wang C X,Haas H,et al.A non-stationary geometry-based stochastic model for MIMO high-speed train channels[C]//12th International Conference on ITS Telecommunications.2012:7-11.

[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.

附錄A

式(18)的證明過程如下:分別重寫式(10)和(14)中的ICI項(xiàng)系數(shù)

比較式(A3)和(A4)可知,若想證得Gp,q(m,k)>(m,k),只需證得Q(m,l)>Q′(m,l).具體證明過程如下:由式(2)可知,高鐵環(huán)境下的信道沖擊響應(yīng)

為ICI因子,則F直接決定了Q(m,l)與Q′(m,l)的大小關(guān)系.當(dāng)D趨于N?1時(shí),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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271213);教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20133108110014)

方勇(1964—),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理、盲信號(hào)處理和智能信息系統(tǒng). E-mail:yfang@staff.shu.edu.cn