滿速率滿分集優(yōu)化的單頻網(wǎng)發(fā)射信號(hào)

沈 瑩，唐友喜

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610054)

在單頻網(wǎng)中，分布在不同地理位置的各個(gè)發(fā)射天線，同時(shí)在相同的頻率發(fā)射相同的信號(hào)。與傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)相比，單頻網(wǎng)具有覆蓋更均勻、接收更可靠和易于擴(kuò)展等特點(diǎn)[1-3]。單頻網(wǎng)采用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)對(duì)抗多徑信道帶來(lái)的符號(hào)間干擾(ISI)[4]。雖然OFDM技術(shù)能有效抑制ISI，但卻無(wú)法解決部分子信道因深衰落而導(dǎo)致的信號(hào)檢測(cè)概率低的問(wèn)題。目前，在集中式多天線OFDM系統(tǒng)中，采用空頻碼技術(shù)解決該問(wèn)題[5-9]。

已有的空頻碼技術(shù)不能直接應(yīng)用于單頻網(wǎng)中，這是因?yàn)椋F(xiàn)有的空頻碼技術(shù)針對(duì)的都是不同發(fā)射天線信號(hào)同步到達(dá)接收端的集中式多天線系統(tǒng)。而在單頻網(wǎng)中，分布在不同地理位置的各個(gè)發(fā)射天線到達(dá)接收端的距離可能不同，各發(fā)射天線的信號(hào)就可能異步到達(dá)接收端。因此，為了提高單頻網(wǎng)的系統(tǒng)性能，有必要研究適合于單頻網(wǎng)的發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)帶有MT根分布式發(fā)射天線的單頻網(wǎng)。在發(fā)射端，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)制、發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)、N點(diǎn)OFDM調(diào)制、添加循環(huán)前綴后，從MT根發(fā)射天線發(fā)射出去。

假設(shè)發(fā)射端與帶有MR根集中式天線的接收端之間的信道是準(zhǔn)靜態(tài)信道，將發(fā)射天線p(TXp)與接收天線q(RXq)之間的信道建模為帶有抽頭系數(shù)的抽頭延遲線模型：

2 發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

基于上述系統(tǒng)模型，本節(jié)通過(guò)誤對(duì)概率分析，得到發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的準(zhǔn)則。

基于式(2)，接收端MR根天線收到的所有子載波上的信號(hào)可以表示為：

為了降低誤對(duì)概率，根據(jù)式(4)，發(fā)射信號(hào)的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下準(zhǔn)則：

(1) 使R盡可能大的分集度準(zhǔn)則；

(2) 使分集乘積盡可能大的分集乘積準(zhǔn)則。

2.2 分集度分析和達(dá)到理論分集度的信號(hào)設(shè)計(jì)

基于式(4)，首先分析系統(tǒng)能獲得的分集度，然后設(shè)計(jì)能達(dá)到該分集度的發(fā)射信號(hào)。

如前所述，系統(tǒng)能獲得MRZ分集度的前提是diag(c?c)滿秩。為了達(dá)到該目的，可以根據(jù)格理論[12]，將發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)為c=Gb，其中G為滿足N×N的生成矩陣[12]，b為調(diào)制后、等待信號(hào)設(shè)計(jì)的信息。如此設(shè)計(jì)得到的發(fā)射信號(hào)就能達(dá)到MRZ的分集度。

2.3 滿分集發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)

根據(jù)節(jié)2.2的分析，系統(tǒng)在理論上能達(dá)到的最大分集度為MRL，以下設(shè)計(jì)2種能獲得最大分集度的發(fā)射信號(hào)。

2.3.1 獲滿分集發(fā)射信號(hào)方法一

2.3.2 獲滿分集發(fā)射信號(hào)方法二

2.4 優(yōu)化發(fā)射信號(hào)

在假設(shè)能達(dá)到最大分集度的前提下(在實(shí)際情況中，此場(chǎng)景是存在的)，基于上述發(fā)射信號(hào)的分集乘積可以表示為：

圖1 v=1時(shí)的相位因子圖

圖2 選擇恰當(dāng)v時(shí)的相位因子圖

3 仿真驗(yàn)證

圖3 仿真場(chǎng)景示意圖。

圖4 不同發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)方案的仿真結(jié)果

圖5 發(fā)射信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

4 結(jié) 論

本文針對(duì)單頻網(wǎng)，設(shè)計(jì)了具有滿分集度的發(fā)射信號(hào)，提出了基于異步時(shí)延的子載波交織分組信號(hào)優(yōu)化方法，該方法在接收機(jī)位置與性能之間建立了一種折中關(guān)系。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的發(fā)射信號(hào)能獲得5～9 dB的增益。

[1] MATTSSON A. Single frequency networks in DTV[J].IEEE Transactions on Broadcasting, 2005, 51(4): 413-422.

[2] PARK S I, LEE J Y, KIM H M, et al. Transmitter identification signal analyzer for single frequency network[J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 2008, 54(3):383-393.

[3] SUNG I P, HOMIN E, YONG T L, et al. Equalization on-channel repeater for terrestrial digital multimedia broadcasting system[J]. IEEE Transactions on Broadcasting,2008, 54(4): 752-760.

[4] CIMINI L J. Analysis and simulation of a digital mobile channel using orthogonal frequency division multiplexing[J].IEEE Transactions on Communications, 1985, 33(7):665-675.

[5] FAZEL F, JAFARKHANI H. Quasi-orthogonal spacefrequency and space-time-frequency block codes for MIMO OFDM channels[J]. Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(1): 184-192.

[6] SU W, SAFAR Z, RAY K J. Towards maximum achievable diversity in space, time, and frequency: performance analysis and code design[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2005, 4(4): 1847-1857.

[7] SU W, SAFAR Z, RAY K J. Full-rate full-diversity space-frequency codes with optimum coding advantage[J].IEEE Transactions on Information Theory, 2005, 51(1):229-249.

[8] TORABI M, AISSA S, SOLEYMANI M R. On the BER performance of space-frequency block coded OFDM systems in fading MIMO channels[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 6(4): 1366-1373.

[9] WANG Jun, LIU Shou-yin. A new high rate differential space-time-frequency modulation for MIMO-OFDM[J].Journal of Electronic Science and Technology of China,2007, 5(3): 193-198.

[10] SIWAMOGSATHAM S, FITZ M P, GRIMM J. A new view of performance analysis of transmit diversity schemes in correlated rayleigh fading[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2002, 48(4): 950 -956.

[11] HORN R A, JOHNSON C R. Matrix analysis[M].Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1986.

[12] WANG G, XIA X G. On optimal multilayer cyclotomic space-time[J]. IEEE Transaction on Information Theory,2005, 51(3): 1102-1135.