SOSTTC-OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

郭 晶， 魏東興

（大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

0 引言

20世紀(jì)80年代以來，全球范圍內(nèi)移動(dòng)無線通信得到了前所未有的發(fā)展，但是目前的無線通信系統(tǒng)所能夠提的業(yè)務(wù)能力仍然與用戶的期望相距甚遠(yuǎn)，因此人們已經(jīng)開始研究新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，即超三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（B3G）或第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）。根據(jù)預(yù)測(cè)，在未來十年或者更短時(shí)間內(nèi)，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)將全面開通[1]。

研究證明，MIMO技術(shù)在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，利用空間復(fù)用增益成倍提高信道容量，或利用空間分集增益提高信道傳輸?shù)目煽啃裕档驼`碼率[2]。但是對(duì)于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)則依然無能為力。另一方面，OFDM系統(tǒng)利用頻率分集技術(shù)，提供了一種將頻率選擇性信道變換為平坦衰落信道的有效方法。阿格沃爾等人首次提出了將這兩者相結(jié)合的系統(tǒng)[3]。將MIMO與OFDM技術(shù)相結(jié)合能有效地解決無線通信中的帶寬效率和多徑衰落的問題。既可以提高系統(tǒng)的傳輸效率又可以改善通信的質(zhì)量。因此，MIMO 和OFDM 的結(jié)合是一種必然的趨勢(shì)，也必將成為4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，其應(yīng)用具有廣闊的前景[4]。無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11n和無線寬帶城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16均已經(jīng)明確規(guī)定：采用MIMO+OFDM技術(shù)作為物理層核心技術(shù)。

1 超正交空時(shí)網(wǎng)格編碼

空時(shí)分組編碼（STBC）方案可以實(shí)現(xiàn)全分集并且具有較小的解碼復(fù)雜性[5]，但不能提供編碼增益?？諘r(shí)網(wǎng)格編碼（STTC）能夠提供全分集高編碼增益，但增加了編碼復(fù)雜性[6]。因此賈法哈尼提出了另一種達(dá)到高編碼增益的方法，即 SOSTTC[7]，這種編碼方案的優(yōu)勢(shì)在于，它不僅能夠提供高編碼增益，而且可以達(dá)到全速率傳輸。

1.1 超正交碼的傳輸矩陣

在SOSTTC編碼方案中，采用以下傳輸矩陣：

其中，θ為旋轉(zhuǎn)角度， x1， x2為調(diào)制信號(hào)。為了避免星座擴(kuò)展，必須保證最終的發(fā)射信號(hào)仍然為原始星座圖中的點(diǎn)，假如使用的是 L-PSK星座，那么可以取 θ = 2 πl(wèi)'/ L,其中l(wèi)'=0,1,… ,L-1?？梢钥吹?，當(dāng)θ=0時(shí)，得到的傳輸矩陣即為阿爾莫提方案的傳輸矩陣[4]。當(dāng)θ取不同的值時(shí)，可以得到不同的正交碼，一種或幾種這種正交碼的集合就成為超正交碼。顯而易見，超正交碼沒有擴(kuò)展發(fā)射信號(hào)的星座圖表，但它擴(kuò)展了可利用的正交矩陣的數(shù)目。

1.2 超正交碼的編碼分區(qū)

在超正交編碼方案中所采用的分區(qū)方法類似于昂格爾博克分區(qū)方法，但是為了使編碼增益最大化，分區(qū)時(shí)采用分區(qū)編碼增益距離（CGD）來代替歐式距離作為分區(qū)的距離度量。假設(shè)使用二相相移鍵控（BPSK）星座調(diào)制，它的分區(qū)如圖1所示。

圖1 BPSK分區(qū)

1.3 超正交空時(shí)網(wǎng)格編碼

四狀態(tài)和兩狀態(tài)的超正交空時(shí)編碼的網(wǎng)格圖分別如圖 2和圖3所示。

圖2 四狀態(tài)超正交空時(shí)編碼網(wǎng)格

圖3 兩狀態(tài)超正交 空時(shí)編碼網(wǎng)格

在網(wǎng)格圖中，每條路徑分配一個(gè)子集，每個(gè)子集代表一個(gè)或多個(gè) 2×2矩陣，同樣對(duì)應(yīng)著旋轉(zhuǎn)參數(shù)和可能的符號(hào)對(duì)集，其中上標(biāo)表示旋轉(zhuǎn)參數(shù) θ。在兩狀態(tài)和四狀態(tài)時(shí)，二相相移鍵控（BPSK）和四相相移鍵控（QPSK）調(diào)制方式下系統(tǒng)均達(dá)到了滿速率傳輸，并且獲得的編碼增益也均優(yōu)于STTC調(diào)制方案。

2 OFDM

OFDM是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù),其主要思想是在頻域把信道分成許多正交子信道，各子信道的載波間保持正交，頻譜相互重疊，這樣減小了子信道間干擾，提高了頻譜利用率。同時(shí)在每個(gè)子信道上信號(hào)帶寬小于信道相關(guān)帶寬，故雖整個(gè)信道是非平坦的頻率選擇性信道，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，大大減小了符號(hào)間干擾。由于OFDM具有抗多徑能力強(qiáng)，頻譜利用率高的特點(diǎn)，因此受到廣泛關(guān)注，是支持未來移動(dòng)通信，特別是移動(dòng)多媒體通信的主要技術(shù)之一[8]。

3 SOSTTC-OFDM系統(tǒng)模型

基于超正交空時(shí)網(wǎng)格編碼的SOSTTC-OFDM系統(tǒng)模型框圖如圖4所示。

圖 4 SOSTTC-OFDM系統(tǒng)（2副發(fā)送天線，1副接收天線）

假設(shè)OFDM采用技術(shù)cN個(gè)子載波?？紤]2副發(fā)送天線、1副接收天線的頻率選擇性無線傳輸系統(tǒng)。先對(duì)經(jīng)過調(diào)制的輸入序列進(jìn)行超正交空時(shí)編碼，然后進(jìn)入OFDM調(diào)制器進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，按照子載波數(shù)進(jìn)行分組。最后，再將輸出分別調(diào)制到不同的子載波上進(jìn)行IFFT處理。該SOSTTC-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射天線1在第1和第2時(shí)刻發(fā)送的OFDM各子載波調(diào)制符號(hào)分別為和，發(fā)射天線2在第1和第2時(shí)刻發(fā)送的符號(hào)分別為和在接收端，由于 OFDM 的正交性調(diào)制，不同的子載波信號(hào)之間互相正交，故在接收端可以將各子載波信號(hào)進(jìn)行分離，然后各子載波再分別進(jìn)行獨(dú)立的空時(shí)譯碼。接收端的空時(shí)譯碼可采用維特比算法進(jìn)行 ML譯碼。

4 SOSTTC-OFDM系統(tǒng)的仿真分析

首先對(duì)超正交空時(shí)編碼系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)采用兩根發(fā)送天線和一根接收天線。圖 5給出了速率為2 bit/s/Hz（QPSK）下的四狀態(tài)的SOSTTC和STTC的性能仿真圖。從圖中可以看出SOSTTC系統(tǒng)較STTC系統(tǒng)具有更高的編碼增益。

圖 6 給出了傳輸速率為 2 bit/s/Hz（QPSK）下的SOSTTC-OFDM以及STTC-OFDM系統(tǒng)的性能仿真結(jié)果圖。系統(tǒng)采用兩根發(fā)送天線和一根接收天線，OFDM子載波數(shù)為64，循環(huán)前綴數(shù)為16。從圖中可以看出，SOSTTC-OFDM系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于 STTC-OFDM 系統(tǒng)，其主要原因是SOSTTC編碼方案比STTC編碼方案具有更高的編碼增益。圖6同時(shí)給出了二狀態(tài)和四狀態(tài)SOSTTC-OFDM系統(tǒng)的性能仿真結(jié)果，可以看出，與STTC系統(tǒng)一樣，狀態(tài)數(shù)的提高可以使SOSTTC系統(tǒng)的性能提高，但是要以編碼復(fù)雜度的增加作為代價(jià)。

圖5 SOSTTC系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖6 SOSTTC-OFDM系統(tǒng)性能仿真結(jié)果

5 結(jié)語

仿真結(jié)果表明，采用OFDM技術(shù)可以使得MIMO系統(tǒng)在快衰落信道中仍然可以保持較好的性能，同時(shí)表明，采用超正交空時(shí)編碼方案可以使得 MIMO-OFDM 系統(tǒng)獲得更大的性能增益。因此，可以在MIMO-OFDM系統(tǒng)中采用超正交空時(shí)網(wǎng)格編碼作為空時(shí)編碼方案，使得 MIMO-OFDM 系統(tǒng)獲得全分集增益的同時(shí)達(dá)到滿速率傳輸，并且可以增加編碼增益，同時(shí)具有較低的編碼編碼復(fù)雜度，以滿足新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能要求。

[1] AFAQ H K, MOHAMMED A O, JUNED A A, et al. 4G as a Next Generation Wireless Network[J]. Future Computer and Communication,2009(04)：334-338.

[2] FOSCHINI G J, GANS M J. On Limits of Wireless Communications in Fading Environment when Using Multiple Antennas[J]. IEEE Wireless Personal Communications,1998,6(03)：311-335.

[3] AGRAWAL D, TAROKN V, NAGUIB A, et al. Space-time Coded OFDM for High Data-rate Wireless Communication over Wideband Cchannels[J]. Proc. Of Vehicular Technology Conf., 1998(05)：2232-2236.

[4] 周圍,朱立君.MIMO-OFDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2008,41(12)：25-27.

[5]SIAVASH M A. A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communication[J].IEEE Journal on Select Areas in Communications,1998,16(08)：1451-1458.

[6] TSROKN V, SESHADRI N, CALDERBANK A R. Space-time Codes for High Data Rate Wireless Communication： Performance Criterion and Code Construction[J]. IEEE Trans. On Information Theory,1998,44(02)：744-765.

[7] JAFARKHANI H, SESHADRI N. Super-orthogonal Space-time Trellis Codes[J].IEEE Trans. on Information Theory,2003,49(04)：937-950.

[8] 陳長(zhǎng)興,鄧洪濤.基于MATLAB的OFDM系統(tǒng)仿真與性能研究[J].通信技術(shù),2009,42(01)：93-95.