正交空時(shí)分組編碼系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

鄒盛唐， 胡 飛， 周治中

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

隨著多媒體高速率業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，未來無(wú)線通信系統(tǒng)需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的系統(tǒng)容量。然而，無(wú)線信道中存在多普勒效應(yīng)和多徑傳輸效應(yīng)使得在時(shí)變多徑信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高頻譜效率無(wú)線通信變得困難。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槠教顾ヂ湫诺?，從而減少了信道多徑衰落的影響。OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信中得到廣泛應(yīng)用。

多天線（MIMO）技術(shù)是指在無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收端都采用多個(gè)通道的新型無(wú)線通信技術(shù)，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究表明 MIMO技術(shù)可以充分利用無(wú)線信道的多徑傳播來提高無(wú)線通信系統(tǒng)的容量或可靠度[1-3]。隨著MIMO系統(tǒng)信息理論基礎(chǔ)的建立，MIMO技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的一個(gè)重要研究主題，其中MIMO信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是其中的一個(gè)重要課題。

OSTBC作為一種重要的MIMO信號(hào)設(shè)計(jì)方法最先出現(xiàn)在文獻(xiàn)[4]中，在平坦慢衰落信道條件下，Alamouti利用空時(shí)分組編碼矩陣的正交特性，提出了復(fù)雜度低的基于最大似然（ML）準(zhǔn)則的信號(hào)檢測(cè)算法。隨后，文獻(xiàn)[5-6]針對(duì)發(fā)射天線數(shù)目等于2、3、4提出了1/2和1的空時(shí)編碼方法。上述空時(shí)編碼要求信道具有“準(zhǔn)靜態(tài)”特性，也就是說：在發(fā)射天線數(shù)目等于2時(shí)，在2個(gè)符號(hào)間隔時(shí)間內(nèi)信道增益基本相同；而當(dāng)發(fā)射天線數(shù)目對(duì)于4時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的空時(shí)編碼碼率，要求在4個(gè)或者8個(gè)符號(hào)間隔時(shí)間內(nèi)信道增益基本相同。在這種情況下上述空時(shí)分組碼都可以采用低復(fù)雜度的線性 ML譯碼器進(jìn)行 MIMO信號(hào)檢測(cè)。但在快衰落信道環(huán)境下，無(wú)線信道將不再具有“準(zhǔn)靜態(tài)”特性，OSTBC系統(tǒng)的編碼矩陣正交性受到了信道快衰落特性的破壞，也就是說：多個(gè)發(fā)射信號(hào)在經(jīng)過快衰落信道時(shí)，在相同時(shí)刻不再保持正交，導(dǎo)致多個(gè)信號(hào)之間彼此干擾，如果仍然采用線性 ML譯碼算法，那么各個(gè)發(fā)射信號(hào)之間將彼此干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能出現(xiàn)較大的“錯(cuò)誤平層”。

針對(duì)平坦快衰落信道環(huán)境，文獻(xiàn)[7]提出了發(fā)射天線數(shù)目等于2的OSTBC系統(tǒng)的判決反饋信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，通過采用自適應(yīng)濾波算法來跟蹤信道時(shí)變特性；文獻(xiàn)[8-9]則研究了發(fā)射天線數(shù)目等于4的OSTBC系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方法，分別提出了迫零（ZF）信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和并行干擾消除（PIC）技術(shù)。貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)（BLAST）的MIMO系統(tǒng)是另外一種重要的多天線信號(hào)。通過仔細(xì)分析BLAST信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，認(rèn)為：上述快衰落信道下OSTBC系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和BLAST系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)具有相同的原理。

在以上文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)上，提出了一種能夠?qū)剐诺罆r(shí)變特性的OSTBC系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)方法，同時(shí)，結(jié)合OFDM技術(shù)，研究了多徑時(shí)變衰落信道下OSTBC-OFDM系統(tǒng)的性能。目前，在多徑時(shí)變衰落信道環(huán)境下，研究OSTBC系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)的國(guó)內(nèi)外研究成果還不多。通過仿真分析表明：提出的信號(hào)檢測(cè)算法性能優(yōu)于已有算法。

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)M個(gè)發(fā)送N個(gè)接收天線的OSTBC-OFDM系統(tǒng)，OSTBC編碼如文獻(xiàn)[4-5]所述，其編碼方式基于 OFDM子載波、在相鄰OFDM符號(hào)之間進(jìn)行。信道采用短波Watterson信道模型來模擬，信道呈現(xiàn)為時(shí)變Rayleigh塊衰落特性。也就是說：在一個(gè)OFDM符號(hào)間隔時(shí)間內(nèi)，信道基本保持不變，但在不同OFDM符號(hào)之間發(fā)生改變，信道增益服從Rayleigh分布。

假設(shè)系統(tǒng)具有理想同步。接收機(jī)首先進(jìn)行 OFDM解調(diào)，然后對(duì)每個(gè) OFDM符號(hào)去掉保護(hù)間隔（CP）。在任意時(shí)刻某個(gè)子載波上（為了表述方便，省略了子載波序號(hào)），第i個(gè)接收天線接收到的信號(hào)可以表示為：

其中 Hi= [ H1i, … ,HMi]， Hji表示從第j個(gè)發(fā)送天線到第i個(gè)接收天線的衰落參數(shù)，滿足零均值單位方差的復(fù)高斯分布；為發(fā)送的信息符號(hào)，（*）T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算；wi是復(fù)高斯白噪聲（AWGN），方差 No。

2 信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

2.1 Zheng信號(hào)檢測(cè)器

文獻(xiàn)[7-8]提出的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)可以用來完成發(fā)射天線數(shù) 4M= 的 OSTBC-OFDM系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)。為簡(jiǎn)化信號(hào)符號(hào)表示，下面只考慮一個(gè)接收天線情形，并且忽略 OFDM子載波序號(hào)?？紤]在同一個(gè)子載波上相鄰4個(gè)OFDM符號(hào)，那么接收信號(hào)可以表示為

根據(jù)r?值，進(jìn)行下述判決：

其中λi為判決因子，由X1和X2確定，i= 1 ,2,3,4；Ω為調(diào)制星座集合。

2.2 新信號(hào)檢測(cè)器

可以看出，上述Zheng檢測(cè)器的思想是：首先在每個(gè)接收天線上對(duì)接收信號(hào)利用迫零（ZF）算法消除了多個(gè)發(fā)射天線信號(hào)造成的彼此干擾；然后用多天線合并技術(shù)提高系統(tǒng)性能。顯然，如果首先利用信號(hào)合并技術(shù)將多個(gè)接收天線上的接收信號(hào)信息進(jìn)行合并處理，然后再采用迫零技術(shù)消除多天線發(fā)射造成的干擾，簡(jiǎn)單地說，就是顛倒Zheng檢測(cè)器兩個(gè)信號(hào)處理步驟的順序。那么，系統(tǒng)將能夠充分利用無(wú)線信道的多徑傳輸效應(yīng)，從而將提高系統(tǒng)性能，仿真結(jié)果驗(yàn)證了這點(diǎn)。下面是算法描述：

①首先計(jì)算Gram矩陣為： R = HH?H；

②在系統(tǒng)多天線接收時(shí)，進(jìn)行合并運(yùn)算： R + =R；

③由R計(jì)算出Φ值，計(jì)算過程如下所示：

在每個(gè)接收天線上，進(jìn)行干擾消除： S? =Φ?HH?rT，然后進(jìn)行接收合并處理，+=?? S S。

根據(jù)?S值進(jìn)行判決：

其中λi為判決因子，由X1和X2確定，i= 1 ,2,3,4；Ω為調(diào)制星座集合。

3 仿真分析

現(xiàn)對(duì)上述兩種信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的誤碼性能進(jìn)行了仿真分析，仿真信道模型為短波Watterson模型；采用64QAM調(diào)制信號(hào)；發(fā)射天線數(shù)目等于4，接收天線數(shù)目為1或者2；系統(tǒng)符號(hào)率為4 800，OFDM子載波間隔為75 Hz，正交周期為13.3 ms；保護(hù)間隔為2 ms；OFDM符號(hào)時(shí)間為15.4 ms；多天線編碼方式沿OFDM符號(hào) 進(jìn)行，MIMO信號(hào)采用碼率為1/2[4]和1[5]的正交空時(shí)分組碼，其編碼矩陣分別為：

圖1比較了不同接收天線配置下，采用碼率為1的空時(shí)分組碼時(shí)，上述兩種信號(hào)檢測(cè)技術(shù)對(duì) OSTBC-OFDM系統(tǒng)誤碼性能的影響。從圖中可以看出，在單接收天線時(shí)，上述兩種信號(hào)檢測(cè)方法的系統(tǒng)性能基本相同；但是在2個(gè)天線接收、信噪比（SNR）等于20 dB時(shí)，提出的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)使得系統(tǒng)誤碼性能提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，在誤碼率（BER）為 10-2量級(jí)時(shí)，信噪比有4 dB增益。

圖1 不同接收天線數(shù)目（N）時(shí)碼率為1的性能比較

圖2 比較了不同接收天線配置下，采用碼率為1/2的空時(shí)分組碼時(shí)，上述兩種信號(hào)檢測(cè)技術(shù)對(duì) OSTBC-OFDM系統(tǒng)誤碼性能的影響。從圖中可以看出，無(wú)論是在單接收天線模式，還是2個(gè)接收天線模式下，提出的信號(hào)檢測(cè)方法能夠充分利用多徑傳輸效應(yīng)，與已有算法相比，性能有較大提升：在單接收天線下，誤碼率（BER）為10-2量級(jí)時(shí)有2 dB左右性能增益；在2個(gè)接收天線下，BER為10-3量級(jí)時(shí)，該算法比已有算法有4.5 dB左右的性能增益。

對(duì)比圖1和圖2的仿真結(jié)果看出：即便在單接收天線配置下，該算法仍能夠充分利用空時(shí)編碼帶來的編碼增益，比已有算法的性能更好。

圖2 不同接收天線數(shù)目（N）時(shí)碼率為1/2的性能比較

4 結(jié)語(yǔ)

分析了可工作在多徑衰落信道環(huán)境下的發(fā)射天線數(shù)目等于4的OSTBC-OFDM系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方法，推導(dǎo)出了一種新的 MIMO信號(hào)檢測(cè)算法，仿真結(jié)果表明：與已有信號(hào)檢測(cè)算法相比，該算法能夠有效利用無(wú)線信道的多徑傳播效應(yīng)和空時(shí)分組編碼的發(fā)射分集增益，從而有效提升 OSTBC-OFDM系統(tǒng)的誤碼性能。

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