一个多级判决反馈接收机设计为LTE上行移动时变环境

文摘

Single-carrier-frequency时分多址(SC-FDMA)最近成为首选的上行传输方案在长期演进(LTE)系统。类似于正交频分多址(OFDMA) SC-FDMA高度敏感振荡器不准确造成的频率补偿和多普勒扩散,导致载波间干扰(ICI)。这项工作提出了一种多级判决反馈结构,以减轻在时变环境中ICI的影响,提高系统性能。基于块状飞行员LTE上行1型框架结构的安排,时域最小二乘(tdl)方法和polynomial-based曲线拟合用于信道估计算法。而不是使用传统的均衡器,这项工作使用一组频域均衡器(GFDE),以减少计算复杂度。此外,这项工作利用双重迭代结构组并行干扰消除(GPIC)和频域组并行干扰消除(FPIC)减轻ICI的效果。最后,优化系统性能,这项工作适用于小说纠错方案。仿真结果验证了比特误码率(BER)性能明显优于传统的全尺寸接收机基于最小均方误差(MMSE)。这种结构在移动环境中表现良好,是一个灵活的选择使用SC-FDMA方案。

1。介绍

近年来,移动通信服务,从传统语音流量数据传输,数据速率和带宽无线网络物理层的效率有所提高。国际移动telecommunications-advanced (IMT-Advanced)标准,这是由国际电信联盟(ITU),是第四代(4 g)移动通信。4 g上行和下行的最高数据速率是50 Mbps和100 Mbps,而上行和下行带宽效率最高的是6.75比特/秒/ Hz和15位/ / Hz [1),分别。值得注意的是,IEEE 802.16的微波存取全球互操作性(WiMAX)正交频分多址(OFDMA)已成为物理层标准(2在上行和下行带宽效率的要求。然而,OFDMA peak-to-average-power率高的缺点(地表铺面),这样可以减少功率效率(3的功率放大器(PA)和不适合移动用户有限的权力。因此,未来4 g标准的第三代伙伴关系project-long-term进化(3代)系统将采用相对较低的地表铺面传输方案的单载波频分多址(SC-FDMA) [4- - - - - -6)的上行物理层标准(7- - - - - -9提高功率效率。

SC-FDMA系统可以被认为是第一个离散傅里叶变换(DFT)将OFDM系统,也就是类似传统的OFDM系统。SC-FDMA系统的性能减少了多普勒效应在移动时变环境。这种效应破坏了副载波的正交性,导致载波间干扰(ICI)。此外,飞行员LTE上行的安排是块类型,不同的梳式传统的OFDM系统,使得信道估计方法需要修改。

一些信道估计方法与块状试点安排开发。在[10],Karakaya提议Kalman-filter-based方法减轻ICI高多普勒扩散情况下跟踪信道的变化水龙头和利用一个基于多项式拟合插值算法进行信道估计。然而,ICI的影响高度移动的环境中会降低系统的性能。值得注意的是,(10)的焦点并非ICI消除技术在频域。在[11王),提出了一种单用户和多用户信道估计方案。每个用户的通道水龙头可以估计的正交特性设计了恒幅零自相关(CAZAC序列)。然而,(11]认为non-time-varying通道场景;因此,这种方法不能应用于高速移动环境。在[12郑),提出了一个interpolation-based频域信道估计和证明插值的最小二乘(LS)方法和最小均方误差(MMSE)方法是等价的。在[13张),提出了一种频域判决反馈均衡器和应用拉格朗日乘子法取代普通逆矩阵操作。相比与传统的判决反馈均衡器(DFE), (13不那么复杂。

这项工作侧重于信道估计和ICI消除接收机设计的技术。首先,时域最小二乘(tdl)信道估计适用于块状试点安排。曲线拟合估计应用于插入失踪飞行员之间通道信息符号。接下来,低信道均衡器的频域均衡器(GFDE)是应用。此外,在考虑移动时变环境下的多普勒效应,这项工作适用双重迭代干扰取消组并行干扰消除(GPIC)和频域组并行干扰消除(FPIC)减少ICI的影响。最后,这项工作提出了一个新颖的纠错方案来优化系统性能。仿真证明,该接收机设计表现良好,是一个灵活的选择在移动环境中使用SC-FDMA方案。

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了SC-FDMA模型和时变信道模型。部分3接收机的设计分为五个部分。部分3.1是tdl信道估计方案和多项式curve-fitting-based通道插值法。部分3.2不仅是低GFDE。部分3.3和3.4由GPIC和FPIC双重ICI取消。误差校正,包括时域最小二乘和组最大似然,是实现部分3.5。提出了系统性能仿真结果给出了部分4。部分5提供的结论。

2。系统模型

图1显示了SC-FDMA收发机的结构。星座的象征用户可以组合成一个数据块。

然后,转换到频域中使用吗分快速傅里叶变换(FFT): 在哪里和是一个规范化的FFT矩阵,即。接下来,th元素的是映射到th副载波如下: 在哪里表示资源分配的本地化和分布式的副载波映射用户所示图2,是一组指标元素是谁的。资源分配数据块然后获得。

副载波映射后,转化为时域使用吗分快速傅里叶逆变换(传输线): 在哪里和是一个规范化的传输线矩阵,即。在这项工作中,我们假设只有一个用户存在,。

然后,接收信号可以表示为在移动衰落信道 在哪里传输信号的循环前缀(CP)插入,CP的长度,的时变信道响应吗路径在离散采样时间,最大延迟扩展,加性高斯白噪声(AWGN)。后删除CP接收机,接收到的信号可以写成 在哪里是噪声向量,是传输的信号,是一个循环矩阵如下:

3所示。提出了多级决策反馈接收机

取消移动造成的ICI的影响环境,提出了多级判决反馈接收机的设计进行了分析。图3显示了多级判决反馈接收机的框图。

首先,通道响应估计的tdl [14]。估计的信道响应是用来促进多级判决反馈设计、低复杂度,ICI消除和改善数据修正。这些过程的细节描述和分析如下。

3.1。时域最小二乘算法

本节描述了信道估计方案评估飞行员之间的通道响应帧内连续两个插槽的象征。在LTE上行1型框架结构扩展CP如图4第四符号,一个参考信号分配在一个槽共有六个符号。较低的参考信号是Zadoff-Chu序列自相关旁瓣(15]。飞行员安排在LTE上行是一种块状安排(9),这意味着飞行员信号插入所有副载波的频域。

在下面,tdl估计进行了分析。图5显示tdl的框图。

对于定常通道,收到控制信号可以表示为 在哪里是一个循环矩阵由飞行员的象征和是通道响应向量和路径。为了估计近似时变信道,接收到的控制信号被重写 在哪里是平均信道响应向量路径。值得注意的是,在连续表示平均信道响应采样周期的路径。增加信道响应的有效性,和可以表示为 在哪里是收到飞行员的th元素向量和表示一组号码。代表的子矩阵th的行行,第一列th列的矩阵。接下来,平均信道响应向量组可以获得的 在上面重新安排平均信道响应向量中,我们定义随着信道响应矩阵在飞行员的象征。

在获得信道响应在飞行员的象征,这个工作利用多项式曲线拟合方案基于线性模型估计量(10)插入失踪的飞行员符号在图之间的信息通道4。线性模型(16衰落信道的配置文件可以表示为 在哪里表示th路径的反应在连续两届的飞行员的象征时间槽尺寸;的信道响应吗th路径源自tdl;是即时的th时间段,。时间之间的关系和如图6;是一个两个范德蒙矩阵的矩阵组成,和可以瞬间的合成要素时间;多项式的订单代表时段。是一个向量的多项式系数路径。接下来,可以得到多项式系数的最小二乘解: 因此,信道响应连续两个飞行员之间的polynomial-based曲线拟合可以近似为象征 因此,曲线拟合信道估计的均方误差性能可以被定义为 在哪里是理想的信道响应的即时的路径。估计信道脉冲响应后,这项工作采样频域信道响应矩阵(17] 此外,MSE性能曲线拟合多项式取决于秩序和时间间隔。特别是,变量的大小直接影响曲线拟的性能。两个极端的例子,数据6和7显示出实部移动信道响应的大小和,分别。在的情况下和,得到tdl估计信道响应,tdl通道和真正的通道之间的差异比较大。但是曲线拟合通道之间的偏见和真正的渠道是小。相反,在的情况下和,tdl估计信道响应的获得,tdl通道和真正的通道之间的变化较小。然而,曲线拟合通道和真正的通道之间的偏差较大。如前面的例子,大小之间的权衡应该考虑和曲线拟合。优化信道估计的性能,仿真结果将讨论更多的细节。

3.2。组频域均衡器

本节描述的GFDE第一阶段。在时变环境中,是一个稀疏的频域信道矩阵的能量集中在对角元素;随着远离对角线元素的增加减少。因此,本工作应用GFDE减少ICI效果和计算复杂度。图8显示了GFDE的框图。

首先,频域信号向量与大小来源于副载波信号demapping向量。然后,分为组如图8。每组与大小可以表示为 在哪里,,,相对的情况下对该集团吗,表示th块矩阵的。然后,数据检测可以得到大致的最小均方误差(GMMSE) 在哪里 在哪里是一个单位矩阵,噪声的方差吗。在第一阶段,数据检测GFDE遭受的ICI的影响边际的元素组块。在接下来的第二阶段,ICI的影响是减轻。

3.3。一组并行干扰的频域不痒的决定取消反馈

在前面的小节中,GFDE应用于降低计算复杂度和平衡通道的效果。然而,GFDE的性能退化是由一些频道信息的损失:(20)

例如在(20.),GFDE使得车内外的通道效应的虚线圆。由于稀疏的频域信道矩阵的特征边际ICI接近固体圆的对角线仍然有较大的能量,影响系统性能。为了减轻边际ICI的影响,频率域的GPIC软决策反馈应用于本节。图9显示GPIC的框图。

GPIC是一个迭代的决策反馈结构如图9。在第一个循环(),让的大小最初的决定;然后,信号可以推导出边际ICI取消吗 在哪里和是th和th元素,分别。接下来,派生的GFDE吗 虽然是相当于或大于2的循环系统(),让是决定数据和重做(21)和(22)完善信号。迭代处理后,决定数据可以推导出

3.4。一组并行干扰消除时域艰难的决定的反馈

并行干扰消除(PIC) [18)可用于提高数据精度,导致最初的决定更可靠。第三阶段,在这一节中这项工作利用时域的FPIC艰难的决定减轻ICI的影响进一步的反馈。图10显示FPIC的框图。

在第一个循环(第三阶段),ICI的术语的副载波信号可以重建

接下来,ICI的术语从副载波de-mapping信号中减去吗,信号可以获得的 在哪里是th的列向量,表示th复合信道向量,情况下对吗。输出给出的MMSE均衡器 决定输出的可以推导出

接下来,这个工作循环时应用迭代过程相当于或大于2 ()。让取代和申请(24)- (27)提高决策的可靠性。

3.5。误差校正由时域最小二乘法和极大似然组

在本节中,这项工作提出了一个新颖的纠错方案第四阶段。图11显示误差修正的框图。

在获得决策数据,让开展SC-FDMA调制方程(1)- (3)构建传输信号。方程(10)可以写成 在哪里是循环矩阵形成的信号。然后,重建的通道可以从(表示在接下来的11):

在上面重新安排重建的通道响应向量中,我们定义随着信道响应矩阵数据块内的每条路径。我们假设FFT大小是128,被占领的副载波数量所需的用户是72。图12显示了重建的实数部分信道脉冲响应。

这显然是找到破裂重建误差通道当决定数据错误。找到副载波集错误的决定根据误差通道的,这项工作建立一个查找表使用一个基于直方图的方法。副载波集决策错误是派生的占领了副载波的所需的用户划分成12块;每一块具有相同的大小。表1显示了查找表的破裂位置之间的通道和决策数据错误。

此外,这个误差修正方案只适用于高信噪比(信噪比),也就是说,dB,因为tdl的性能敏感的信噪比。以下介绍了拟议中的误差修正方案的细节。(1)让开展SC-FDMA调制,利用接收信号重构信道脉冲响应由tdl,表示道路重建通道连续两个飞行员符号之间,。(2)比较与曲线拟合,然后找到错误破裂的范围 在哪里,表示错误的位置破裂,渠道的比例是不同。如果没有信道条件下存在差异,跳过纠错。相反,一个人必须确定最大误差破裂的位置。 (3)找到副载波组对决策错误由表1。(4)在这一步中,局部最大似然(ML)搜索应用于正确的决定副载波的数据集。本地化毫升的技术程序如下: 在哪里是一组所有可能的传播符号向量由元素,副载波的大小吗,星座点,表示重建的信道响应,这是由tdl构造对候选人。

应用上述纠错方案后,让取代和重做步骤1 - 4。迭代结构可以用来优化性能数据的准确性。

4所示。仿真结果

基于前面的分析,模拟执行评估的性能提出了LTE上行系统多级判决反馈均衡方案。表2列出了仿真环境的参数设置。

首先,这项工作论述了MSE tdl的时变信道估计的性能。MSE性能取决于多项式秩序和时间间隔。图13显示tdl的MSE性能有不同的大小。很明显,MSE性能随多项式的大小和的范围内。基于仿真结果图的经验法则13,自适应顺序与不同的范围可以表示为

基于自适应顺序在(33),图14显示tdl的MSE性能有不同的大小。当时间间隔,MSE性能随时间间隔增加。然而,当时间间隔太大()、组数不足以支持需要统计曲线拟合;因此,MSE性能降低。根据仿真结果图14最优选择的时间间隔的大小被认为是。

为了演示块大小的影响GFDE的第二个模拟,GFDE提高当块大小的性能大,如图15。在GFDE,增益损失约2 dB和1 dB和分别比全尺寸MMSE均衡器。为了减少计算复杂度,GFDE的合适的块大小。

图16显示了多级均衡器的级联的误码性能。显然可以提高误码性能通过增加数量的阶段。的性能提出GFDE ()和GPIC方法,下面的全尺寸MMSE均衡器dB。为了提高性能,提出FPIC和纠错方案。整个接收机的性能设计()提高约1 - 2 dB,相比与全尺寸MMSE均衡器在图16。

此外,比较计算的复杂性提出了接收器和全尺寸MMSE接收机在以下分析。在第一阶段的GFDE模式方程(18)- (19的数量),复杂的乘法计算。在第二阶段的GPIC模式方程(21)- (23的数量),复杂的乘法计算。FPIC计划第三阶段的方程(24)- (27),它涉及的优势固定值(即。QPSK符号:)。因此,ICI的复杂乘法可以减少重建和复杂的乘法FPIC的数量计算。第四阶段的纠错方案,它包括SC-FDMA调制方程(3),通道重建方程(29日),ML搜索方程(32);复杂的乘法计算的数量。此外,全尺寸的复杂乘法MMSE的数量计算。

例如,考虑到用例(GFDE和GPIC FPIC和纠错)在图16与,,,,,复杂的乘法的接收器的数量决定约242,360。,考虑到全尺寸MMSE接收机在图16,复杂的乘法计算的数量大约有2097152。显然,提出多级接收机可以提供的优势比全尺寸MMSE接收机更低的计算复杂度。

5。结论

这项工作提出了一种多级判决反馈接收机设计LTE上行系统。首先,tdl信道估计适用于块状试点安排;然后曲线拟合估计应用于插入失踪的飞行员符号之间的信息通道。低通道均衡器GFDE是就业。此外,在考虑移动时变环境下的多普勒效应,这项工作由GPIC采用双重迭代干扰消除,FPIC减轻ICI的效果。最后,小说纠错方案结合tdl和组最大似然法应用于优化系统性能。仿真结果表明,提出的信道估计方案的性能是好的当一个合适的时间间隔和多项式秩序是选择。由于每个阶段的特性,提出了接收机设计显著提高了系统性能。这种多级设计比传统的结构更灵活移动时变环境的和可行的。

确认

这项工作是由美国国家科学委员会,台湾,根据合同NSC 101 - 2220 - e - 155 - 006。作者要感谢编辑和匿名评论者对他们有用的评论和建议在提高文章的质量。