差分空时编码

2024-05-10

差分空时编码（精选七篇）

差分空时编码篇1

随着因特网和多媒体应用在下一代无线通信中的集成, 宽带高速数据通信服务的需要正在不断增长。由于可用无线频谱资源的有限性, 高数据速率只能通过高效的信号处理来实现。MIMO技术利用多天线能有效地抑制多径衰落, 并且在不增加带宽和天线发射功率的情况下, 可以成倍地提高频谱利用率。而使用空时编码是达到或接近MIMO无线信道容量的一种可行有效的方法。该编码在多根发射天线和各个时间周期的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性。这种空时相关性可以使接收机克服MIMO信道衰落和减少误码率[1]。Alamouti方案是为发射天线数为2的系统提供完全发射分集增益的一种空时分组码, 该编码译码方案简单, 在接收端采用最大释然译码算法, 因而得到了广泛的应用。但是该编码方案需要在接收端恢复信道系数才能进行译码。所以许多有关空时编码的研究都是假设信道的状态在接收端是已知的。在实际应用中, 当信道缓慢变化时, 发射机可以发送导频序列从而使接收机能够准确的估计信道, 而且这样会消耗多余的能量。但是在一些情况下 (例如高速移动的环境, 或者信道快速衰落时) , 很难准确地估计信道, 或者准确估计信道的代价很高。因此需要一种在接收端即使不知道信道状态信息也可以进行译码的编码, 而基于正交的差分空时编码 (DSTBC) 可以在接收端不使用信道估计的情况下进行译码, 并且其差分编码和译码算法都很简单。因而在实际应用中差分空时编码系统的复杂度会降低[2]。

1 差分空时编码 (DSTBC) 原理

在单天线时, 采用差分检测技术可以保证在没有信道信息和导引序列的情况下, 仍能以较好的性能恢复出原始序列。差分在单天线中的应用使得人们考虑是否可将其扩展到多天线系统。在此基础上, V.Tarokh 和 H.Jafarkhani 于2000年构造了针对两根发射天线的差分检测技术。其发送码矩阵的形式类似于Alamouti编码发送矩阵, 具有正交性[3]。

①两根发射天线基于正交设计的差分STBC原理框图如图1所示:

差分空时码采用2m-PSK调制, 每次输入2m比特, 将其映射为两个差分系数R1和R2, 它们将用于后面的符号计算, 并且这种映射是一种一一对应的关系。用V表示系统矢量集, V中共有22m个不同的元素, 所有的元素长度均为1。发射机首先在时刻1分别从天线1和天线2发送参考信号a1=x1和a2=x2, 根据Alamouti编码规则[4,5,6,7], 在时刻2分别发送信号-x*2和x*1。这两次传输不携带任何数据信息。然后发射机用差分模式对数据序列编码, 并按如下方式进行编码。在时刻3从天线1和天线2发送的信号x3和x4, 它们需要根据先前发送的信号x1和x2以及映射产生的差分系数R1和R2计算求出, 具体方法为:

$[\begin{array}{l} x_{3} \\ x_{4} \end{array}] = R_{1} [\begin{array}{l} x_{1} \\ x_{2} \end{array}] + R_{2} [\begin{array}{l} - x_{2}^{*} \\ x_{1}^{*} \end{array}] (1)$

该式称为“差分编码准则”。重复这个过程, 直到整个帧发送完毕。

②差分系数计算方法:将每次输入2m比特进行调制, 得到调制信号和, 根据下式进行计算:

R1=a3a*1+a4a*2 (2)

R2=-a3a2+a4a1 (3)

这样对于同一参考信号, 不同的输入比特映射为不同的差分系数。例如:对BPSK, 参考信号 $(a_{1}, a_{2}) = (1 / \sqrt{2}, 1 / \sqrt{2})$ , 根据上式就可以得到所有可能输入比特与差分系数矢量 (R1, R2) 之间的映射关系:

M (00) =V (1, 0)

M (10) =V (0, 1)

M (01) =V (0, -1)

M (11) =V (-1, 0) (4)

③差分译码:假设接收天线数为1, rt表示t时刻接收到的信号, 接收天线在时刻2t-1, 2t, 2t+1, 2t+2接收到的信号分别为:

r2t-1=h1x2t-1+h2x2t+n2t-1 (5)

r2t=-h1x*2t+h2x*2t-1+n2t (6)

r2t+1=h1x2t+1+h2x2t+2+n2t+1 (7)

r2t+2=-h1x*2t+2+h2x*2t+1+n2t+2 (8)

接收机关于R1和R2的判决统计量分别定义为:

$\begin{array}{l} \bar{R}_{1} = (r_{2 t + 1}, r_{2 t + 2}^{*}) g (r_{2 t - 1}, r_{2 t}^{*}) = \\ r_{2 t + 1} r_{2 t - 1}^{*} + r_{2 t + 2}^{*} r_{2 t} (9) \\ \tilde{R}_{2} = (r_{2 t + 1}, r_{2 t + 2}^{*}) g (r_{2 t} - r_{2 t - 1}^{*}) = \\ r_{2 t + 1} r_{2 t}^{*} - r_{2 t + 2}^{*} r_{2 t - 1} (10) \end{array}$

译码时, 从矢量集V中找到离统计判决量最近的系数矢量作为判决器的输出, 然后进行逆映射, 得到相应的输入信息比特, 这样就完成了译码。如果接收天线数为k (k>1) , 只需按相同的方法对不同的接收天线计算判决统计量 $\tilde{R}$ $_{1}^{i}$ 和R $_{2}^{i}$ , 然后相加得:

$\begin{array}{l} \tilde{R}_{1} = \sum_{i = 1}^{k} \tilde{R}_{1}^{i} (11) \\ \tilde{R}_{2} = \sum_{i = 1}^{k} \tilde{R}_{2}^{i} (12) \end{array}$

即可。

2 能耗分析

在发射端, 发射天线的发射功率为:

$Ρ_{Τ} = \bar{E}_{b} R_{b} \times \frac{(4 π)^{2} d^{n}}{G_{t} G_{r} λ^{2}} Μ_{l} Ν_{f} (13)$

其中, $\bar{E}$ b是在确定的误码率条件下每比特信息所需要的能量, Rb是比特速率, d是信号传输距离, λ是载波波长, Ml是用于补偿电路处理和加性背景噪声或干扰的链路差额, Nf= (Nr/N0) 是接收机噪声影响因子。其中, N0=-203.9 (dBW/Hz) 是噪声温度为300k的热噪声单边功率谱密度 (Power Spectral Density PSD) , Nr是接收机输入端总的噪声影响的PSD, Gt是发射天线功率增益, Gr是接收天线功率增益。对于不同的场合, n取值不同, 自由空间传播模型n=2, 市区蜂窝阴影n=3, 4, 5。根据式 (13) , 发射端每比特所消耗的能量

$\bar{E}_{b t} = Ρ_{Τ} / R_{b} = \bar{E}_{b} \frac{(4 π)^{2} d^{n}}{G_{t} G_{r} λ^{2}} Μ_{l} Ν_{f} (14)$

式中, $\bar{E}$ b可以用仿真的方法得到。

在二进制时, 信噪比 (SNR) 表示如下

$\frac{S}{Ν} = (\frac{E_{b}}{n_{0}}) (\frac{R_{b}}{B}) (15)$

其中, Eb是发送一个比特所需要的能量, n0是噪声单边功率谱密度, Rb是比特传输速率, B是接收机带宽。在多天线传输中, 假设传输数率 $R_{b} = \frac{1}{B}$ , 则有

$\frac{S}{Ν} = \frac{E_{b}}{n_{0}} (16)$

当发射端有两根发射天线, 可以通过仿真得到满足所要求的误码率的SNR, 假设在发射端天线的功率是平均分配的, 则每根天线上发射每比特信息所需要的能量

$\bar{E}_{b} = \frac{E_{b}}{2} (17)$

3 性能仿真

本文采用BPSK调制方案, 假定信道模型为瑞利平坦衰落信道, n的取值为2, 误码率要求为 $\bar{p}_{b} = 10^{- 3}$ 。发射功率相关参数如下:载频fc=2.5GHz, GtGr=5dBi, Nf=10dB, Ml=40dB, 噪声的单边功率谱密度n0=-174dBm/Hz[4]。图2给出了两根接收天线的DSTBC编码和Alamouti编码性能的仿真比较, 从仿真结果中可以得出当误码率为10-3时, DSTBC和Alamouti编码所需要的信噪比分别为15.2dB和12.5dB。图3给出了随着发射距离的增加DSTBC与Alamouti编码各自每比特所消耗的能量的仿真结果。

4 结束语

通过实验仿真的方法, 得到了在不同的传输距离下Alamouti编码和DSTBC在发射端每比特信息所消耗的能量, 通过仿真结果可以得到, 随着传输距离的增加, Alamouti编码每比特信息所消耗的能量要小于DSTBC每比特信息所消耗的能量。然而上述Alamouti编码都是假设信道的状态信息是已知的。在实际中, 还要通过发射额外的训练序列来进行信道估计, 所以这将会消耗额外的能量, 而且接收端的译码电路也会变得复杂。

摘要：Alamouti方案是为发射天线数为2的系统提供完全发射分集增益的一种空时分组码, 该编码译码方案简单, 在接收端采用最大释然译码算法, 因而得到了广泛的应用。但是该编码方案需要在接收端恢复信道系数才能进行译码。所以许多有关空时编码的研究都是假设信道的状态在接收端是已知的。而基于正交的差分空时编码方案可以在接收端不知道信道状态信息下进行译码, 因而可以简化译码电路。主要分析了在多入多出无线传输条件下基于正交的差分空时编码在发射端的能量消耗, 并通过仿真比较了该差分空时编码与传统的Alamouti编码在一定的误码率条件下随着传输距离的不同发射端发射每比特信息所需要的能量。

关键词：MIMO,DSTBC,能耗,分析

参考文献

[1]黄韬.MIMO相关技术与应用[M].机械工业出版社, 2007.

[2]Branka Vucetic.王晓梅, 等译.空时编码技术[M].机械工业出版社, 2004.

[3]Brian L Hughes.Diferential Space-Time Modulation[J].IEEE Trans.on IT, 200, 6 (7) :2567-2578.

[4]Goldsmith Cui AJ, Bahai A.Energy-efficiency of MIMOand coopera-tive MIMOtechniques in sensor networks[J].IEEE Journ.Select.Areas.Commun., 2003, submitted.

[5]Tarokh V.Space-time Block Codingfor Wireless Communications:Per-formance Results[J].IEEE J.on Select.Areas Com., 1999:451-460.

[6]Vahid Tarokh, Nambi Seshadri, Calderbank AR.Space-Time CodesforHigh Data Rate Wireless Communications:Performance Criterion andCode Construction[J].IEEE Trans In formTheory, Mar 1998, 44:744-765.

空时编码技术的研究篇2

由于移动用户的增多,移动通信业务从单纯的语音业务扩展到多媒体业务,无线频谱资源日趋紧张,从而追求尽可能高的频谱利用率已成为研究的热点和重点。长时间以来,人们一直致力于开发高效的编码、调制和信号处理技术以提高无线频谱的效率。空时编码(STC)[1]是近年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术,在发射端和接收端同时使用多个天线进行信息的发射和接收,在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关,综合利用时域和空域二维信息,在接收端进行分集接收。空时编码将空间分集、频率分集及时间分集结合在一起,从通信系统的整体出发,提高多径衰落信道的通信质量和数量。从目前发展来看,空时码主要可以分为两大类:一类是分层空时码;另一类是基于分集的空时分组码和空时格形码。比较而言它们各有其优缺点,下面介绍它们的主要编译码原理及性能。

1 分层空时编码

1.1 系统结构

分层空时编码技术(Layered Space-Time Coding,LSTC)[2][3]的基本思想是把高速数据业务分接为若干低速数据业务。通过普通的并行信道编码器后,对其进行并行的分层编码,编码信号经调制后用多个天线发射,实现发射分集。由Bell实验室提出的BLAST系统结构如图1所示。

输入信号经信号分离器分离成n个长度相同的数据流,分别输入n个编码器。这些编码器可以是二进制的卷积编码器,也可以不经过任何编码直接输出,其输出信号经调制后,使用相同的载波由发射天线同时发射。

设第j个子编码器在i时刻的输出符号,其中j=1,2,…n,再将经过分层空时编码器编码送入相应的发射天线,根据分配方式的不同,分层空时编码LSTC可以分为下面三类:水平分层空时编码(Horizontally Layered Space-TimeCoding,HLSTC)、对角分层空时编码(Diagonally Layered Space-Time Coding,DLSTC)和垂直分层结构空时编码(Vertical Layered Space-Time Coding,VLSTC)。

1.2 译码过程

BLAST系统是一个(n,m)系统,在接收端,用m个天线分集接收,信道参数通过信道估计获得利用波束空间分离器(或迫零处理),对载波信号进行载波和信号的分离,编码信号经解码后,由多路复用器重建,达到对原始输入信息流的预测。在接收端,由线性判决器反馈均衡器实现分层反馈干扰抵消,然后进行分层空时译码。单个信道译码器完成信道译码。发射天线与接收天线之间的信道是窄带、准静态的、平坦瑞利衰落环境。在某一时间区间发射天线i到接收天线j间的信道响应为hij,则信道传输矩阵H=(hij)m×n,在瑞利信道中,hij是服从均值为0、方差为1的复高斯随机变量,接收天线j上的接收信号rj(j=1,2,...n)为n个发射天线发射信号,经瑞利衰减信道传输后重叠并伴有高斯白噪声的扰动。

1.3 性能分析

LSTC系统各天线的信号取自同一符号集,同时占用某个信道的整个带宽,频率利用率和传输速率高,是单天线系统无法达到的;充分利用无线信道的多径传播特性来达到区分同波道信号的目的,传播路径越多,检测产生的误码越少,因为空间传播路径较多时,若分层空时码系统的收发天线对位置合适,每个收发天线对之间的信道特性会产生较大的差异,确定迫零矢量时的误差就会降低,从而可提高系统的性能。

2 空时格码

1998年,AT&T实验室的Tarokh等人提出了用于高速数据无线通信的空时格型编码(Space-Time Trellis Coding,STTC)[4],这种空时编码以格型编码调制为基础,可以提供最大可能的编码增益和分集增益,而不会牺牲发射带宽,并且能够有效地抵抗衰落,抑制干扰和噪声。

2.1 编译码原理

下面先分析空时格型码的性能设计准则。

考虑具有一个(n,m)多天线系统,且信道为平坦瑞利衰落的、准静态信道,即在一个数据块时间内信道特性不变。hij为复高斯随机变量(实部与虚部分别为0均值,1/2方差的高斯随机变量)。设数据块长度为l,则发射天线发射的码字可以表示为:

为的误差矩阵,其中表示的共轭。

上式中的Es为星座图中每个信号点的平均能量,No为每个接收天线的噪声单边功率谱密度,r为误差矩阵的秩,即为的非零特征值,可以看出,这一概率类似于衰落信道的格型编码调制的误差上限。式中表示了由空时编码所获得的系统的编码增益,同时,代表了系统的分集增益为rm,由此可见,空时格型码的设计准则为:最大化误差矩阵的秩为r。这样就可保证系统的编码增益最大,同时系统的分集增益最大,系统达到最优。

进一步对误差矩阵做分析:由的矩阵结构可以看出,为一Hermitian矩阵(即表示矩阵的共轭转置)。构造一个新的矩阵B(c,e):

可以验证*=,由此可知为的均方根矩阵,则为非负定的,的特征值为非负的实数。

由此可得到最优空时码的设计准则[5]:a.最大化的秩,可获得最大的分集增益。若系统要达到最大的分集增益mn,集合中的每一个必须是满秩的,若的最小秩为r,,则分集增益最大可达rm。b.最大化的行列式,可获得最大的编码增益。若系统的分集增益为r m,计算集合中的每个的所有r×r阶的主代数余子式的行列式和的r次根得到集合的最小值决定编码增益。

空时格型编码可以用网格图来表示,图2给出了对应的4PSK-4状态的空时格型编码的编码器结构。4PSK调制时,第k时刻有2个比特输入编码器,而此时的编码器状态由k-1,k-2…时刻的输入比特来决定,其存储容量是由编码器的状态数决定的,由当前的输入比特和编码器的状态共同确定编码器的输出,即两个发射天线上将要发射的符号。其中数字表示加权系数,默认值是1,对应的4-PSK调制,加法器进行模4加。

2.2 译码过程

假定接收机己知信道的状态H(t),t=1,2,…,1,发射天线发射的空时码元向量为,接收天线接收到的序列为,最佳的解码算法相当于计算一组向量,使得后验概率能达到最大。

假定所有的码字为等概率出现,并且噪声向量被假定为多维的AWGN,由文献[6]可得到最佳的解码器为:

由式(7)可见,最佳的译码算法可以由Viterbi算法来实现,这样的译码算法复杂度与发射速率成指数关系,但具有十分好的性能,由于信道的信息在解码中要被用到,所以必须利用引导/训练信号或是盲检测的方法来获得信道的信息。

空时格型码译码复杂度的衡量――令b为系统的发射速率,则格型的复杂度≥2b(r-1),信号星座图的状态数为2b,所以译码的复杂度与发射速率b成指数关系。

2.3 性能分析

STTC以部分频带利用率为代价换取最大分集增益。例如,若采用有2b个信号点的星座图,在保证最大分集增益的前提下STTC可达到的最大频带利用率为bbits/s/Hz,不再随着天线数的增加而增加,这是限制其应用的重要因素之一;在译码方面,STTC的译码复杂度随着分集增益和频带利用率的提高成指数增长,这是限制STTC在实际通信系统中应用的另一关键因素;同时,STTC好码的设计也是一个难点。在状态数较大的情况下,好码的格图设计非常困难,目前多用计算机搜索来完成。上述三个问题也是人们现在研究STTC的热点、难点。

3 空时分组码

3.1 编译码原理

假设发射端有n根天线,接收端有m根天线,每个时隙t,同时从n根天线上发送,从发射天线i到接收天线j的信道增益为hij。该路径增益建模为每维方差为0.5的复高斯独立随机变量,信道为准静态平衰落信道。

接收端天线在时刻t的接收信号为:

其中是复高斯随机变量。

空时分组码(STBC)通常采用一般的星座图设计,即在给定时刻t,将kb比特映射成k个信息码,每个码元属于2b个发射信号星座图中的一个星座点。k个码元经过不同天线和码元间隔进行编码。其编码矩阵可以表示为下式。其译码通过最大似然法来完成。

其中各列相互正交,它的每一列表示同一天线在不同时隙发出的信号,每一行表示同一时隙不同天线发出的信号。显然,在n个时隙传送k个信号,STBC的码速为R=k/n。

STBC的译码采用最大似然法[7],以两副发射天线为例,对于编码矩阵G2,在第一个时隙,有2b比特到达编码器,并选择2个码元x0,x1,这些码元同时从天线0和天线1发送,而在第二个时隙,信号分别从天线0和天线1发射。接收端采用最大似然译码就是对所有可能的和计算判决量度息

并使其最小。

3.2 性能分析

STBC在编码中引入了复正交设计的理论,只有发射天线数目为2时,才能达到最大的频带利用率;当发送天线大于两根时,频带利用率只能达到1/2。相对于BLAST和STTC,这是STBC的缺陷。但由于STBC容易得到最大的发射分集增益NM,译码结构特别简单,因此更适用于实际工程应用。

4 小结

尽管目前对空时编码已经做了大量的研究,但是在如何改进多天线系统,使之能够适应实际应用方面仍是一项具有挑战性的工作。这方面的课题包括:快速空时格形码译码算法;空时编码结合其他技术,如智能天线技术等结合空时处理技术;空时格形码和空时分组码在不同衰落信道下的性能和复杂度的比较;Turbo码级联空时码的方案;空时编码方案在频选衰落路径下的性能等等。尤其是智能天线技术等结合空时处理技术,是目前很热门的一个研究课题。

摘要：空时编码技术是抗信道衰落和提高系统容量的一种最新编码方法,介绍了分层空时码、空时格型码和空时分组码的编译码原理,比较了它们的优缺点,并给出了空时格型码的设计准则,最后分析了空时编码的研究动态。

关键词：空时编码,分层空时码,空时格形码,空时分组码

参考文献

[1]Tarokh V,Seshadri N,Calderbank A R.Space time codes for high data rate wireless communications:Performance criterionand code construction[J].IEEE Trans Inform Theory,1998,44(2):744-765

[2]Foschini G J.Layered space-time architecture for wireless communication in fading environment when using multiple antennas[J].Bell Labs Technical Journal1996,1(2):41-59.

[3]Siu D,Khan J M.Layered space-time codes for wireless communications using multiple transmit antennas.Proc.of IEEE Intl.Conf.on Communication,Vancouver:June6-101999[C].

[4]Naguib F,Tarokh V.A space-time coding modem for high-data-rate wireless communications IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1998,16(8):1459-1478.

[5]Proakis J G.Digital Communications(Four Edition)[M].北京:电子工业出版社,2001.

空时编码在OFDM系统中的应用篇3

关键词：空时编码,正交频分复用,空时分组码,MIMO

MIMO技术在一定程度上可以利用传播中的多径分量,也就是说MIMO可以抗多径衰落,但对于频率选择性深衰落,MIMO技术依然无能为力。而OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道,从而减小了多径衰落的影响。目前解决MIMO技术中的频率选择性衰落的方案可以结合OFDM技术,将频率选择性衰落转换为子载波上的平坦衰落。另外,OFDM是4G的核心技术,而OFDM提高频谱利用率的作用有限,因此在OFDM的基础上合理开发空间资源,也就是MIMO+OFDM[1],就可以成倍地提高频谱利用率以及可靠的数据传输速率。

1 OFDM的系统原理

OFDM是一种特殊的多载波传送方案,单个用户的信息流被串并变换为多个低速率码流,每个码流都用一条载波发送。OFDM 弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式,改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能保持正交的波形。因此,OFDM既可以当作调制技术,也可以当作复用技术。OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中,单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用,但在多载波系统中,只有一小部分载波会受影响。纠错码的应用可以帮助其恢复一些易错载波上的信息。

在传统的并行通信系统中,整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道,每个子信道被一个独立的信源符号调制,即N个子信道被频分复用。这种做法,虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲频带利用率为代价,这在频带资源紧张的今天是不能被接受的。上世纪中期,人们提出了频带混叠的子信道方案,信息速率为a,并且每个信道之间距离也为a Hz,这样可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错,同时可以充分利用信道带宽,节省了50%。为减少各子信道间的干扰,则希望各个载波间正交。这种“正交”表示的是载波的频率间精确的数学关系。如前所述,传统的频分复用的载波频率之间有一定的保护间隔,通过滤波器接收所需信息。在这样的接收机下,保护频带分隔不同载波频率,使频谱的利用率降低[2]。

1.1 OFDM原理框图

发送端先由信源发生器随机产生0和1的bit流,并且设定0和1等概分布。因为根据信息论,0和1等概是信源编码的目的。然后进入串并变换器,bit流变成若干路并行信号。接着,QPSK调制器对每路并行的信号进行调制。随后IFFT变换器对所有的并行信号进行IFFT运算。加入循环前缀,并且送入加性高斯白噪声AWGN信道进行传输。

到达接收端后,接收端和发送端相反,先删除循环前缀,然后对每个OFDM符号进行FFT运算。接着对每个并行的信号进行QPSK解调。最后进行并串转换形成输出的bit流,如图1所示。

1.2 原理仿真

仿真结果主要受循环前缀的长度及信道信噪比等参数的影响,首先将信噪比设为10,循环前缀长度设为32,此时,无线信道中信号的多径时延小于循环前缀的长度,接收端在恢复原信号时去掉循环前缀,消除了前一码元多径分量对后一码元造成的影响。同时保持OFDM符号子载波之间的正交性,因此,信号通过白噪声信道,解调出的波形和信源波形一致。

但当信噪比下降为6时,符号的最大多径时延仍然小于循环前缀的长度,消除了前一码元多径分量对后一码元造成的影响,误码个数仍然为0。当信噪比继续下降,前一符号的最大多径时延大于符号的循环前缀长度,前一码元对后一码元的解调产生了影响,使解调出现错误。当信噪比<6 dB时,前30个信号中出现了误码,如图2所示。

由图中可以看出,接收端恢复波形时,第24个样点出现了错误。

以上分析可知,OFDM传输系统抗传输多径干扰的能力很强,只有在信道干扰十分严重的情况下,才会出现误码。对于最大延迟单元小于循环长度的多径时延,均能有效地消除码间串扰ISI。尽管如此,此时接收到信号的频谱受到信道频率选择性衰减仍然严重,OFDM 系统并没有消除信道的频率选择性衰减,只是在解调时利用循环前缀技术将码间串扰消除了。

2 STBC-OFDM系统

文中以具有代表性的两个发射天线和一个接收天线的STBC-OFDM系统进行讨论,结构框图如图3所示。

在t时刻,STBC编码器的输出为

ct=c $_{1, 0}^{t}$ ,c $_{2, 0}^{t}$ ,c $_{1, 1}^{t}$ ,c $_{2, 1}^{t}$ ,…,c $_{1, l - 1}^{t}$ ,c $_{2, l - 1}^{t}$ (1)

其中,i=1,2;l为OFDM的子载波数;c $_{i, k}^{t}$ 表示QPSK调制输出。OFDM将对以下序列进行调制:c $_{1, 0}^{t}$ ,c $_{1, 1}^{t}$ ,…,c $_{1, k}^{t}$ ,…,c $_{1, l - 1}^{t}$ ;c $_{2, 0}^{t}$ ,c $_{2, 1}^{t}$ ,…,c $_{2, k}^{t}$ ,…,c $_{2, l - 1}^{t}$ 。

传输过程中,设系统理想同步,信道柯西平稳,即在每个OFDM帧的传输间隔内,信道衰落系数是一个常量,帧与帧之间的衰落相互独立。设α′1,k,α′2,k分别为t时刻,第k个频率间隙对应两个信道的衰落,由于柯西平稳,有α $_{1, k}^{t}$ =α $_{1}^{t}$ ,α $_{2, k}^{t}$ =α $_{2}^{t}$ 。若接收端单天线接收,则OFDM解调输出可以表示为

Rk=α $_{1}^{t}$ c $_{1, k}^{t}$ +α $_{2}^{t}$ c $_{2, k}^{t}$ +N $_{k}^{t}$ (2)

其中,k=1,2,…,l-1,N $_{k}^{t}$ 是独立的加性高斯白噪声,协方差为1。STBC-OFDM系统的解码部分与一般的空时分组解码相同。

2.1 编码方式

采用四进制的QPSK调制,首先调制每一组2个信息bit,然后通过串并转换,编码器在每一次编码中选择2个调制符号x1和x2为一组,并映射到发射天线,

在两个连续的周期内从两根发射天线发射出去。在第1个周期内信号x1和x2分别从天线1和天线2发射出去,在第2个周期内信号-x**和x*1分别从天线1和天线2发射出去。图4应用立体视觉角度体现出系统是如何编码的。

2.2 系统仿真

基于上述系统模型,进行了系统仿真:信道总带宽1 MHz,采用QPSK数字调试方式,两个发射天线,一个接收天线的Alamouti空时分组编码[3],OFDM调制的子载波数目L=128,为防止符号间干扰,每个OFDM帧加入长度为32 μs的循环前缀。两路多径信道相互独立,具有相同的平均功率,均为柯西平稳的衰落信道。在接收端,信道状态可以理想恢复。

仿真过程:初始端256 bit数据经过QPSK数字调制,映射成为128符号,经空时编码,成为两路128符号的序列,分为经过128个子载波的OFDM调制(128 IFFT),每OFDM帧加入冗余前缀32 bit。接收端首先去掉冗余信息,经过128点的FFT,即完成OFDM的解调,再进行解码。仿真结果如图5所示。

由仿真结果可以看出,STBC-OFDM系统的性能明显优于未经空时编码的OFDM系统性能。在误码率接近为10-2时,可获得近4 dB的信噪比增益。对于编码的STBC-OFDM系统来说,随着接收端天线数目的增加,其性能也越来越好。这是因为随着接收端天线数目的增加,系统获得的分集增益[4]越来越大。

3 结束语

研究了空时分组码在频率选择性衰落信道下的应用,针对空时分组码与OFDM技术的结合,得出未编码的OFDM系统和接收端天线数目不同时STBC-OFDM系统的仿真结果。

通过仿真可以看出空时编码在OFDM系统中应用的正确性,OFDM技术将频率选择性信道转化为多个并行的非频率选择性衰落信道,使得在频率选择性衰落信道中,STBC-OFDM系统中的空时编码分组码仍然保持了在平坦衰落信道下的性能和特点,同时也使整个系统获得了发射分集增益和接收分集增益,从而使编码后的整个系统性能明显优于编码前。

参考文献

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[8]黄韬,袁超伟,杨睿哲,等.MIMO相关技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

差分空时编码篇4

关键词：空时编码,多输入多输出,分层空时码,空时格形码,空时分组码

0 引言

随着全球移动通信用户的不断增加,为了满足无线通信信道可靠并且高速的传输需求,已经形成了多种高效的调制和编码方案。然而,无线信道易遭受到各种时变特性的衰落,例如:多径衰落、干扰和噪声等,分集技术是对抗无线信道衰落的一种有效方法[1]。空时编码技术则是利用多发射和多接收天线,将发射分集和接收分集相结合,在通信的发射端与接收端建立起多条链路。它可以有效地抑制干扰,提高传输质量,降低误码率,并获得较高的编码增益和分集增益。简而言之,空时编码技术就是将编码、调制、发送分集和接收分集有机地结合在一起,利用无线信道的多径传播特征,有效地补偿信道衰减,增加系统容量,抑制噪声和干扰的新的信道编码技术。它充分有效地提高了多径衰落信道的传输性能[2]。

本文根据空时编码的设计目标,分析讨论了三种空时编码方案,对其进行了性能分析以及比较。

1 多输入多输出系统

所谓MIMO系统就是在无线通信系统的接收端和发射端采用多根天线进行数据传输。MIMO技术有效地利用随机衰落和多径传播来获得高传输速率和质量,它的优势可以在散射物丰富的环境中得到充分的体现。

如图1所示,信源以二进制数字信号的形式进入一个空时编码模块,通过映射复调制和编码,被映射成为几个单独的符号流,通过不同的天线将每路符号流发射出去。符号流的独立性、冗余性取决于映射方式或者信道编码的方式,可以根据要求的性能进行设计。MIMO系统的实质就是为无线通信系统提供一定的空间复用增益和空间分集增益。空间复用增益可以大大地提高系统的传输速率,而空间分集增益则是提高传输的可靠性,降低系统的误码率。将空间中的多根天线在时间域和空间域结合起来处理,是实现空间复用增益和空间分集增益的有效方法[3]。

MIMO系统有效地提高了无线通信系统的传输性能,它充分有效地利用了信号的所有空时频域特性,主要有以下特点:

(1)空域和时域联合起来进行信号处理,大大地提高了系统的传输性能。

(2)利用或减去无线信道中的多径衰落,将多径这一物理现象由有害变为有用。

(3)在不增加带宽的情况下,可以获得额外的通信质量或者容量的改善,提高频谱利用率。

空时编码是一种应用于MIMO无线通信系统的编码技术,该编码技术是在多根天线和各个时间周期的发射信号之间产生空域和时域的相关性,使接收机克服MIMO信道衰落和减少发射误码,从而实现MIMO信道无线系统容量的显著增加[4,5]。下面介绍空时编码技术的三种编码方案。

2 分层空时编码

分层空时码(Layered Space-Time Code,LST)最初是由贝尔实验室的Foschini提出的,因而被称为BLAST(Bell Labs Layered Space-Time Code),它是一种同时在时间维度和空间维度上进行编码的技术,使得编码端的复杂度随天线数目的增加而线性增长。

分层空时码的基本思想是将高速业务分为若干低速业务,通过普通的并行信道编码器编码后,再进行分层的空时编码。调制后用多根天线发送,实现发送分集。它的发送模型如图2所示。

在接收端,用多根天线接收,信道参数通过信道估计获得,分层判决反馈干扰的抵消由线性判决反馈均衡器实现,然后进行分层空时译码,由单个信道译码器完成信道译码,接收模型如图3所示[6]。

分层空时码根据映射方式的不同可以分为对角分层空时码(DLST)、垂直分层空时码(VLST)和水平分层空时码(HLST)。

对角分层码具有较好的空时特性及层次结构,但是有传输冗余,存在频谱利用率损耗。垂直分层空时码和水平分层空时码的空时特性及层次结构较对角分层空时编码差,但是没有传输冗余,其中,垂直分层空时码特性及层次结构比水平分层空时码要好,水平分层空时码不存在子数据流之间的编码,空时特性最差,因此,在实际中,垂直分层空时码V-BLAST的应用最为广泛[7]。

3 空时格形编码

空时格形码(STTC)最初是由AT&T实验室的V.Tarokh等人提出的,它在不牺牲带宽的情况下不仅可以提供尽可能大的分集增益,还可以提供较高的编码增益。空时格码STTC编译码的基本原理如图4所示。

待发送的信息比特流经过格形编码转化成可以同步发射的矢量码元。格形编码一般有QPSK-TCM,8PSK-TCM,16QAM-TCM等机制。接收机对STTC的解码也有多种方式,通常采用Viterbi-MMSE算法来译码。

图5为基于QPSK调制的4状态STTC的状态转移图。

编码器有4个状态,每接收2比特输入信息后,编码器从一个状态跳转到另一个状态,并输出相应的码字。例如编码器处于零状态时,当输入的2比特信息分别为00,01,10,11时,对应的编码输出的星座点对是00,01,02,03。其中第一个数字是天线1发射的信号,第二个数字则是天线2在同一时刻发射的信号[8]。

STTC有以下很难克服的缺点:一是频带利用率不随天线个数的增加而增加;二是译码复杂度随着分集增益r和频带利用率b指数增长,即使r,b都比较小,译码复杂度也会很大;三是当状态数比较大时,设计STTC的好码字也有一定的难度。因此,STTC在实际中的应用受到了一定的限制。如何用更好的方法解决这三个问题则是今后空时编码技术的重要研究方向。

4 空时分组编码

空时分组码是一种能够提供满分集增益,具有非常低的编码和译码复杂度的多天线发射系统。Alamouti提出的两根发射天线的空时分组码方案可以提供完全发射分集增益,而且译码时只需要在接收端进行简单的线性处理,简化了接收机的结构。

Alamouti空时分组码编码器的原理框图如图6所示。在第一个时隙将复码元信号s1和s2分别从两个天线上同时发送;在第二个时隙,天线1和天线2分别同时发送信号-s2*和s1*(“*”表示求共轭)。

STBC译码是利用其正交性,采用最大似然算法实现的。与最大比合并(MRRC)相比,STBC能得到相同的分集增益且具有很低的译码复杂度,易于实现。这种两天线方案可以被扩展到任意数目天线的情况使用。假设收端采用一根接收天线,Alamouti方案接收机的原理框图如图7所示[9]。

5 性能分析

根据以上对三种空时编码技术的分析,将其性能进行比较,总结如下:

分层空时码(BLAST)方案直接采用分解复用实现编码,每个天线发送的都是完全独立的调制信号,且以相同的载波发射。这种方法将无线信道多径效应产生的独立空间衰落全部用来提高数据率。BLAST以分集增益为代价换取高的频带利用率,适用于多径较为丰富的室内传输环境。

空时网格码(STTC)以频带利用率为代价来换取大益,是分集增益和编码增益的折衷,是编码、调制的联合优化,数据率的提高呈指数增长。

空时分组码(STBC)也是以频带利用率为代价来换取最大的分集增益,特点是译码算法是线性运算,比较简单,但频谱利用率较低。表1对上述几种常用的空时码结构进行了简单比较。

6 结论

空时编码作为一种把编码、调制和空间分集结合起来的先进技术,是3G/4G技术中的一个重要部分,可见其在下一代移动通信技术中有着广泛的应用前景。本文介绍了MIMO系统中常用的三种空时编码技术方案,将这三种方案做了较直观的比较,以便对空时编码技术进行有针对性的研究。

参考文献

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差分空时编码篇5

1 传统的空时分组码

1.1 正交空时编码方法 (O-STBC)

对于有N根发送天线的复正交空时分组码, 编码矩阵C需要满足以下条件

式中:x1, x2, …, xk为发送符号;IN×N是N×N的单位阵。定义码率R=k/L, k表示在L个符号周期内发送的符号数。

Alamouti编码方案是第一个复正交STBC编码, 采用2根发送天线, 编码矩阵为

很明显, 该编码方案的码率为1, 并且能够获得最大的分集增益。

对于发送天线数目为3和4时, 文献[7]提出了相应的复正交空时编码方案, 编码矩阵分别为

这两种编码的码率为R=3/4, 之前已经提到, 只有Alamouti码是满速率全分集的复正交空时编码。

1.2 准正交空时分组码 (QO-STBC)

由于满速率复正交空时分组码只存在于2根发送天线的情况, 对于3根及以上发射天线, 人们提出了QO-ST-BC, 通过损失部分正交性实现满速率传输。其编码矩阵C满足

式中:Q称为准正交阵。文献[8]针对4发1收MIMO系统提出了一种准正交空时分组码, 其编码矩阵为

通过将上述4发1收编码矩阵C的最后一列去掉, 可以得到一个3发1收空时编码矩阵, 表示为

假设信道为平坦衰落信道, 接收天线为1根, 则在4个符号周期内, 接收向量可以表示为

式中:r=[r1r2r3r4]T为接收信号。

经过一系列变换, 可以得到

式中: ;hi是第i根发送天线到接收天线的衰落系数。

对于空时分组码, 接收端可以通过检测矩阵D进行译码检测, 上述系统的检测矩阵为

式中: 为3根天线上总的信道增益;β=2Re (h1*h3) 为符号之间的干扰。由于干扰β的存在, 与O-STBC相比, 检测矩阵不是严格的对角阵, 只有消除了QO-STBC检测矩阵中的干扰项, 才能进行简单的线性译码。

2 改进的3发1收QO-STBC编码

根据文献[4-6], 可以利用Givens旋转变换消除干扰项β。Givens旋转可以消除矩阵中的任何一个元素, 如果矩阵是一个对角阵, 就可以更简单地得出Givens旋转矩阵。通过计算, 可以得到旋转矩阵G1和G2分别为

通过对D进行如下Givens旋转变换, 可得

矩阵DG可以写成

因此可以得到一个新的信道响应矩阵HD, 使HD=HG1G2, 此时HD便是一个正交矩阵, 可以表示为

据此可以得到3发1收系统相应的编码矩阵为

由编码矩阵CD可知, 4个发送符号x1, x2, x3, x4占据4个发送周期, 因此码率为1, 设CD的3列向量分别为v1, v2, v3, 可以得出

式中: 。由此可见所改进编码不是完全正交空时分组码, 而是准正交的。虽然新的编码矩阵CD不是正交的, 但对应的信道响应矩阵HD却是正交的, 可以通过简单的线性方法进行译码, 具体译码过程如下:

设接收信号为

通过利用HD, 接收信号可以表示为

由此可以得到估计信号

3 性能仿真

采用MATLAB仿真工具, 对比分析了文中所提码率为1的3×1 QO-STBC编码方案与其他编码方案的误码率性能。信道采用准静态平坦瑞利衰落信道, QPSK调制, 各天线发送功率相等, 接收端信道状态已知。仿真结果如图1所示, 文中所提编码的误码率性能不仅优于码率为1的2×1 O-STBC Alamouti方案, 而且优于文献[8]中的4×1 QO-STBC编码方案。例如在误码率为10-4处, 所提方案性能分别优于上述两种方案2.5 d B和1.7 d B。另外, 对比分析了文中所提算法与文献[7]中码率为0.75和文献[9]中码率为0.5的两种满分集的3×1编码方案, 发现文中所提算法在低信噪比时性能比上述方案要好, 但在高信噪比时性能要比传统的满分集算法差。

4 结论

文中提出了一种新的码率为1的3发1收准正交空时编码方案, 通过利用Givens旋转, 消除了检测矩阵中的干扰项, 使系统可以通过简单的线性译码进行解码。仿真结果也表明, 文中所提编码方案的性能比传统的QO-ST-BC有所提高。

摘要：提出了一种新的码率为1的3发1收准正交空时编码方案, 通过利用Givens旋转消除检测矩阵中的干扰项。在瑞利衰落信道下仿真分析了所提算法与传统算法的误码率性能。仿真结果表明, 所提算法在性能上要优于传统的4发1收QO-STBC方案, 并且在低信噪比时, 性能要优于传统的码率不为1的3发1收O-STBC算法。

关键词：准正交空时编码,Givens旋转,线性译码,误码率

参考文献

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差分空时编码篇6

空时编码技术是1998年由Vahid Tarokh等人提出的一项基于发射分集的技术,其基本特点是将信道编码技术与传输分集技术进行结合,该编码把天线分集、信道编码和调制有机地结合在一起, 在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关,综合利用时域和空域二维信息,在接收端进行分集接收,有效地提高了系统在衰落信道下的传输性能,空时编码通过充分利用多发射天线的空间分集和采用信道编码和交织的时间分集,极大地提高了频带利用率。相对于空间未编码系统,可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集和功率增益的作用。

1瑞利衰落信道

无线移动信道的主要特征是多径传播。当多径的数目趋于无限大时,将无法用公式准确计算出接收信号的功率,这时用统计的方法来分析比较方便。对于存在大量散射体的环境来说,瑞利模型与实际情况比较接近[1]。因此,本文引入瑞利衰落信道来分析信号在窄带多径环境中的变化。

信道的冲激响应表示如下:

undefined (1)

L为电磁波传播最大多径数;Al为第1条路径的信号幅度;τl为第1条路径相对第一条路径(τ=0)的时延;ϕl代表第1条路径的信号相位。

当径数较多时,可认为没有直射信道,因此信道的冲激响应h(τ)可以看成一个复高斯过程,其包络的值A符合瑞利分布:

undefined (2)

信号包络的均值为undefined,方差为σ2。

相位ϕ符合均匀分布的,即:

undefined (3)

2空时编码技术和OFDM技术的结合

空时编码技术是适用于多天线阵列信道的一种编码方案,把天线阵列的空间分集技术同信道编码技术结合起来,能够获得远远高于传统单天线系统的频带利用率,在平坦衰落信道下具有很好的性能,频谱利用率也很高。但是,在宽带无线通信中,信号周期与信道延迟扩展相比变得越来越小,因此发射信号都要经历频率选择性衰落,此时空时编码系统的性能会急剧下降,这就使得空时编码在未来宽带无线通信中的应用受到极大的限制。因此有必要研究克服频率选择性衰落对于空时编码性能影响的方法。利用正交频分复用(OFDM)技术不仅能够有效对抗码间串扰,而且可以利用频率分集技术,把一个频率选择性衰落信道变为多个并行相关的非选择性衰落子信道。这种把空时编码技术和OFDM技术结合起来,利用多径衰落实现高速可靠传输的传输技术称为MIMO-OFDM技术[2]。

采用K个OFDM子载波,发射天线数为nT,接收天线数为nR的基带STC-OFDM通信系统的系统框图如图1所示。

本文将主要以空时分组码中的正交空时分组码和OFDM技术的结合为例,对空时编码在瑞利衰落信道下的性能进行分析。

3正交空时分组码模型

数值计算和仿真实验表明,在发送天线数一定的条件下,瑞利衰落下正交空时分组编码信道的容量随接收天线数的增加而增加;在接收天线数一定的条件下,信道容量也随发送天线数的增加而增加,但当发送天线数增加到一定数量后信道容量的增加就不明显了。

假设无线通信系统收、发端分别备有n、m根天线,数据通过空时编码后,经串/并变换为n个数据流,送入不同的发送天线。接收端的每根天线上都接收到发自不同天线的数据,充分利用空域和时域信息,恢复出所传送的数据。设空时编码输出帧中的码字如下:

cundefinedcundefined…cundefinedcundefinedcundefined…cundefined……c1lcundefined…cn1

其中:l为时隙数,n为天线数,在t时刻第j根接受天线上信号为:

undefined (4)

其中,cundefined是同一时隙t内,在不同天线上发送的信号。ηundefined服从(0,n/2 SNR)的高斯分布。系数hi,j是从发射天线i到接受j的衰落系数,其实部虚部都为服从高斯分布的独立的随机变量。假设无线信道是准静态的,则有同一帧内hi,j保持恒定。

假设在接收端已获得理想的信道状态信息,最大似然解码准则要求对所有可能出现的码字:

cundefinedcundefined…cundefinedcundefinedcundefined…cundefined……c1lcundefined…cn1

找到能使式undefined最小的码。

将码字c错判为e的误判概率满足:

undefined

其中:r为误差矩阵B(c,e)的秩,λi是矩阵A=BB*的第i个非零特征值。B定义为n×1矩阵,满足Bpq=eundefined-cundefined,and 1≤p≤n,1≤q≤l

假设信道hi,j(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)已经准确地估计出来,利用判决准则:

undefined,分离出K条独立的输出支路undefined,每条输出支路可独立进行译码,其表达式为:

undefined

假设各发送符号等能量发送,则在发送信号序列(x1,x2,…,xk)的总能量为:

undefined

则各输出支路的接收信噪比为:

undefined (8)

其中,E0=Etot/K=n·E[|xK|2]表示平均每个符号发送的能量。

4仿真结果

图2给出了在多径时变信道中,发送天线为2,接收天线为2的情况下的各种STC-OFDM系统的性能。

其中,STBC码采用2副发射天线的Alamouti编码方案。传输矩阵Xundefined为:

undefined

(9)

LSTC码采用2副发射天线的HLSTC编码,传输矩阵X为:

STTC码采用2副发射天线的4状态的最佳QPSK网格编码。生成序列为:

g1=[(0,2),(1,0)];g2=[(2,2),(0,1)] (11)

由仿真结果可以看出,空时分层码的性能较差,但比未编码OFDM系统的性能有部分改善;STBC-OFDM系统的性能明显优于这两者,但与STTC-OFDM系统相比,性能有部分下降,其系统复杂度却远低于STTC-OFDM系统。

5结束语

空时编码技术是一种能够有效提高无线频谱利用率的重要技术,在平坦衰落信道下具有很好的性能;而正交频分复用(OFDM)技术是一种特殊的多载波传输方式,利用OFDM技术可以把一个频率选择性衰落信道变为多个并行平坦衰落信道,从而可以在频率选择性衰落信道中应用在平坦衰落信道下具有良好性能的空时编码。

参考文献

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差分空时编码篇7

随着通信技术的发展, 下一代无线通信技术将要求更高的数据传输速率。OFDM技术可以解决多径衰落并且具有频谱效率高的特点。空时编码技术利用在发射端和接收端都采用多根天线将时间分集、空间分集和频率分集结合, 从而降低系统误码率, 增加系统容量而获得更高的分集增益和编码增益。OFDM与空时编码相结合, 既可以实现非常高的数据传输率鲁棒传输, 又可以实现OFDM技术的很强可靠性[1,2]。因此STC-OFDM系统具有广泛的研究前景。

贝尔实验室提出的垂直分层空时码 (vertical bell layered space-time code, VBLAST) 和Tarokh提出的空时分组码 (space time block code, STBC) 是目前研究最多的两种编码结构。STBC编码是基于发端分集的传输方案, 既可以有效抵抗多径衰落又可以提高系统可靠性, 但数据吞吐量小、传输速率低;VBLAST是基于空间复用传输方案, 具有较高频谱利用率, 数据吞吐量大以较小的射频链路和较低的系统复杂度获得较大数据传输速率。对于频率选择性信道, 正交频分复用 (Orthogonal Frequency Multiplexing, OFDM) 技术通过将频率选择性衰落信道转变为平坦衰落信道而得到广泛应用。MIMO-OFDM系统即将多个发射天线与多个接收天线应用于OFDM系统中, MIMO-OFDM系统的首次提出是在文献[3]中, 通过OFDM方案将STTC应用于频率选择性信道中。而后一种简单的空时编码的正交频分复用 (STBC-OFDM) 的发射分集技术通过频率选择性衰落信道应用于无线通信系统中, 通过对OFDM码元采用Alamouti方案来代替独立的符号传输, 而有效改善了系统的误码率性能[4]。

文献[5]中提出VBLAST-STBC-OFDM方案, 在发射端两层数据流独立的Alamouti编码和OFDM调制, 在接收端采用分组干扰抑制结合奇异值分解解码, 有效地增加了系统分集增益, 提高了数据传输速率。因此多层空时编码结构在OFDM系统中具有广阔的研究前景。笔者提出了一种在OFDM系统中应用块分组编码[6]方案。新的编码方案由于采用了块分组编码, 码符号间产生了交织而获得明显低的误码率, 性能明显改善。

1 信道模型

图1为将块分组编码应用于OFDM系统的结构模型, 发射天线为, 接收天线为, OFDM载波数为, 发射数据流经串并转换后转换为2层数据流, 进行块分组编码, 每4个码元符号进行按块正交编码, 编码矩阵为

式中, 为OFDM符号, 然后每层信息流通过IFFT变换和加入循环前缀后经各自的发射天线发射出去。这里针对单个块分组编码结构进行研究, 即。

2 模型分析与解码算法

假定信道为频率选择性信道, 且每个MIMO信道中的OFDM符号是常量。在接收端, 移除循环前缀和FFT变换后, 利用VBLAST检测技术, 在第k个子载波上接收信号可写为

式中为FFT转换后在子载波k上及的接收符号。利用MMSE干扰抑制算法, 得到干扰消除后的接收矩阵, 则第i层的线性联合系数矩阵为:

式中, 是噪声方差, 是的酉矩阵。则

进行最大似然 (ML) 译码, 估计数据符号为:

式中为调制符号集, 为对第一层码字符号的估计值, 。

对第2层码字符号进行估值。第二层的线性联合系数矩阵为:

然后根据估计出第2层码字符号, 即。从而将每个子载波上发射信号的得到有效解码。

3 仿真与分析

该仿真实现块分组编码应用于OFDM系统中, 信道模型采用SUI-3信道模型, 表1展示了SUI-3信道模型的一些参数, 另外数据符号的调制方式为QPSK调制, 子载波数为256, 循环前缀长度为56, 总的信道带宽为20MHz, 假定信道状态和载波频率偏移能够精确估计。针对4发射天线和4接收天线的块分组编码的OFDM系统与2个Alamouti空时编码的四发四收系统进行仿真比较。仿真表明, 采用块分组编码方案与传统的2层数据流独立的Alamouti编码与VBLAST结合的编码方案相比, 误码率性能明显改善, 在误码率10-5处, 信噪比约有1.0d B左右的增益。可见, 块编码的引入, 可以使OFDM传输系统有更高的传输可靠性。

4 结语

笔者提出将块分组编码引入OFDM系统中, 块分组编码对两层数据流码字符号进行编码, 每两个码字符号为一对, 对2块码字进行块正交编码, 数据符号按层分块后交叉通过不同的天线对发射, 数据流间产生了一定的交织增益, 使编码获得更好的分集增益。仿真结果表明, 与目前普遍采用的2层数据流独立Alamouti编码来提高分集的STBC与VBLAST混合结构相比, 块分组编码方案具有更好的系统可靠性, 具有较好的抗衰落性能。

摘要：结合STBC和VBLAST混合编码结构的优点, 提出将块分组编码应用于MIMO-OFDM系统。在发射端数据流分成两层输入块分组编码器后进行OFDM调制, 在接收端, 采用MMSE干扰抑制算法译码。块分组编码将数据符号按层分块后交叉通过不同的天线对发射, 数据流之间产生了一定交织效果, 使编码获得了更好的分集增益。

关键词：空时分组码 (STBC) ,垂直分层空时码 (VBLAST) ,OFDM

参考文献

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