結(jié)合STBC的V—BLAST多天線超寬帶OFDM系統(tǒng)性能研究

謝丹　朱錦

摘要：在對(duì)多帶（MB）OFDM UWB通信系統(tǒng)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合空時(shí)分組碼（STBC）和空時(shí)分層碼（V-BLAST）兩者的特點(diǎn)，該文分析了混合型編碼的多輸入多輸出（MIMO）MB OFDM超寬帶通信系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)模型和編譯碼原理，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，在改進(jìn)的S-V多徑信道環(huán)境下，兩者結(jié)合的多天線MB OFDM系統(tǒng)不僅具有更高的分集增益和傳輸效率，而且誤碼性能有所提高。

關(guān)鍵詞：MB OFDM；信道容量；STBC；V-BLAST

中圖分類號(hào)：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）09-2251-02

1 概述

近些年來(lái)，超寬帶（UWB）無(wú)線通信技術(shù)以其速率極高、價(jià)格較低等特性開(kāi)始進(jìn)入公眾視野，受到廣泛關(guān)注，已成為新興技術(shù)研究熱點(diǎn)的代表之一[1]。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）將3.1GHz～10.6GHz共7500MHz的頻譜分配給超寬帶使用。單載波UWB （Direct Sequence-UWB）和多頻帶UWB（MB OFDM UWB）是超寬帶UWB技術(shù)物理層的兩種技術(shù)方案，其中多頻帶UWB是利用現(xiàn)有成熟的跳頻技術(shù)與OFDM相結(jié)合，性能優(yōu)異，最有希望成為超寬帶技術(shù)的最終標(biāo)準(zhǔn)。

MB OFDM方案是一種先進(jìn)的多載波調(diào)制方法，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)單個(gè)收發(fā)天線，利用OFDM技術(shù)傳輸每個(gè)子帶的信息。研究表明，多輸入多輸出MIMO（multiple input multiple output）技術(shù)通過(guò)使用多個(gè)收發(fā)天線可以提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率[2]。該文將MB OFDM和MIMO技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用空時(shí)編碼（STBC）和V-BLAST編碼技術(shù)，通過(guò)仿真結(jié)果證明了基于多天線的超寬帶OFDM系統(tǒng)能改善系統(tǒng)性能，獲得更高的系統(tǒng)容量。

2 MB-OFDM UWB系統(tǒng)

FCC將超寬帶MB OFDM系統(tǒng)的7500MHz頻段劃分為分為14個(gè)子頻帶，每個(gè)子頻段帶寬為528MHz。其中中心頻率與子頻帶的關(guān)系如下式：[2904+528×nb，nb=1...14MHz]。每個(gè)子頻帶使用128個(gè)子載波，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)OFDM調(diào)制后進(jìn)行傳輸，其中只有100個(gè)子載波用于傳輸數(shù)據(jù)，其他子載波用于相位跟蹤和用戶自定義[3]。

MB OFDM方案設(shè)計(jì)每個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度為312.5ns，符號(hào)長(zhǎng)度中包括9.5 ns的保護(hù)間隔和60.6 ns的循環(huán)前綴，系統(tǒng)的調(diào)制方式采用時(shí)頻交織（TFI）和QPSK，編碼速率可以根據(jù)需要變化，不同的編碼速率和擴(kuò)頻因子決定了系統(tǒng)不同的信息速率，信息速率可以從55 Mbps 到480 Mbps。圖1所示的是超寬帶MB OFDM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3 多天線MB-OFDM UWB系統(tǒng)

3.1 STBC編碼方案

3.2 STBC與V-BLAST相結(jié)合的編碼方案

V-BLAST的原理為：通過(guò)采用多根發(fā)射接收天線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的多路并行傳輸。信息源數(shù)據(jù)經(jīng)串/并轉(zhuǎn)分成M個(gè)并行數(shù)據(jù)子流，分別送入M個(gè)信道編碼器進(jìn)行分組編碼或卷積編碼，然后通過(guò)相同的調(diào)制器進(jìn)行信號(hào)映射，最后對(duì)輸出的M路調(diào)制信號(hào)構(gòu)造成垂直結(jié)構(gòu)（Vertical BLAST）并由M個(gè)天線發(fā)射。在接收端，采用迫零和符號(hào)抵消相結(jié)合的算法對(duì)空時(shí)信號(hào)檢測(cè)，譯碼，得到最后的判決數(shù)據(jù)[6]。

本文以四發(fā)四收為例，每?jī)筛炀€分為一組，在組內(nèi)采用Alamouti空時(shí)編碼，在接收端采用ZF或MMSE準(zhǔn)則的V-BLAST算法。具體譯碼步驟如下：

4 仿真結(jié)果

在多天線超寬帶MB OFDM仿真系統(tǒng)中，系統(tǒng)子載波用QPSK調(diào)制方式，每個(gè)子頻帶的載波數(shù)目為128。采用STBC和V-BLAST結(jié)合編碼，在四發(fā)四收模式和改進(jìn)的S-V多徑信道cm3環(huán)境下，仿真結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出：與普通的超寬帶MB OFDM系統(tǒng)相比，多天線超寬帶MB OFDM系統(tǒng)性能有顯著提高，而且，結(jié)合STBC的V-BLAST系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的V-BLAST。

5 結(jié)論

本文采用了MIMO-OFDM系統(tǒng)中經(jīng)典的空時(shí)分組碼和空時(shí)分層碼方案，結(jié)合兩者的特點(diǎn)，將這種混合型的編碼方案應(yīng)用多天線超寬帶系統(tǒng)中，并給出了系統(tǒng)傳輸誤碼率的仿真曲線。仿真結(jié)果表明， 采用兩者結(jié)合的編碼方案，在降低誤碼率的同時(shí)，提高了傳輸效率，有效改善移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] Porcino D，Hirt W.Ultra-wideband radio technology：potential and challenges adead[J].IEEE Communications Magazine，2003，41（7）：66-74.

[2] 金一劍，葛利嘉，葉凌峽.MIMO-MB-OFDM 超寬帶通信系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007（12）.

[3] FCC First report and order， revision of the Part 15 commission's rules regarding Ultra Wideband Transmission Systems， ET-Docket 98-153， April 22， 2002.

[4] 謝丹，楊守義.基于STBC的MB-OFDM系統(tǒng)性能研究[J].通信技術(shù)，2009（12）.

[5] Branka Vucetic， Jinhong Yuan. 空時(shí)編碼技術(shù)[M].王曉海，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6] 蘭洋，程時(shí)昕.結(jié)合STBC的一種分層空時(shí)編碼結(jié)構(gòu)模型[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2004（1）.