??? 摘 要： 簡單研究了空時網(wǎng)格編碼和OFDM相結(jié)合的理論基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了空時編碼和OFDM相結(jié)合的通信系統(tǒng)" title="通信系統(tǒng)">通信系統(tǒng)，通過仿真分析了該系統(tǒng)在高斯白噪聲信道和頻率選擇性衰落信道" title="衰落信道">衰落信道下的系統(tǒng)性能。
??? 關(guān)鍵詞： 空時網(wǎng)格編碼? OFDM? 高斯白噪聲信道? 頻率選擇性衰落信道
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??? 在文獻(xiàn)[1]中，Vahid Tarokh等提出了空時網(wǎng)格編碼系統(tǒng)模型，給出了編碼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和構(gòu)造方法，接收端采用Viterbi算法進(jìn)行譯碼?？諘r網(wǎng)格編碼可以有效地提高信道容量，同時還具有空間分集增益和編碼增益；OFDM可以有效對抗多徑干擾，消除符號間干擾。因此，廣大學(xué)者和研究人員普遍傾向于在第四代移動通信中采用OFDM和空時編碼相結(jié)合的通信系統(tǒng)。本文就空時網(wǎng)格編碼和OFDM相結(jié)合的通信系統(tǒng)性能進(jìn)行了理論分析和仿真分析。
1 空時網(wǎng)格編碼和OFDM相結(jié)合的理論基礎(chǔ)[2]
??? 空時網(wǎng)格編碼的譯碼是假設(shè)信道為準(zhǔn)平坦衰落信道，即在一個發(fā)送信號的周期內(nèi)，信道的衰落因子保持不變；只有在這個基礎(chǔ)上才能采用最大似然譯碼。然而在多徑信道下，只有當(dāng)：BS<
2 空時網(wǎng)格編碼和OFDM相結(jié)合的通信系統(tǒng)[3]
??? 空時網(wǎng)格編碼和OFDM相結(jié)合通信系統(tǒng)發(fā)射端框圖如圖1所示。將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息比特經(jīng)過串/并變換，形成n路并行的數(shù)據(jù)比特流。這n路并行的數(shù)據(jù)比特流送入n個空時網(wǎng)格編碼器。在文獻(xiàn)[1]中給出了空時網(wǎng)格編碼器的構(gòu)造。每一個空時網(wǎng)格編碼器同時輸出2路數(shù)據(jù)信息：
i代表第i路編碼器輸出），其中
對應(yīng)第一個發(fā)射天線的數(shù)據(jù)信息，
然后n路的
加上循環(huán)前綴" title="循環(huán)前綴">循環(huán)前綴形成一個OFDM碼元。
也經(jīng)過傅立葉逆變換，加上循環(huán)前綴形成另一個OFDM碼元。為了進(jìn)行信道估計(jì)" title="信道估計(jì)">信道估計(jì)筆者引入了訓(xùn)練符號；訓(xùn)練符號經(jīng)過串/并變換，形成n路并行的符號流；這n路并行的符號流被送入n個空時網(wǎng)格編碼器。每個空時網(wǎng)格編碼器同時輸出2路符號信息：
i代表第i路編碼器輸出）。n個
分別經(jīng)過傅立葉逆變換，加上循環(huán)前綴后形成另外兩個OFDM碼元。然后按照圖2的幀格式分別進(jìn)行打包，打包后的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)模變換形成s1(t)和s2(t)，分別同時通過第1個發(fā)射天線、第2個發(fā)射天線發(fā)送出去。
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??? 采用圖2所示的幀格式，發(fā)送的信號可以被表示為：
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??? 其中αn表示第n條路徑的衰落系數(shù)，τn表示第n條路徑的傳播時延。當(dāng)在接收端采用一副接收天線" title="接收天線">接收天線接收時，接收端的框圖如圖3所示，接收到的信號r(t)可以被寫成：
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??? 其中，hi,j(t)(i=1,2; j=1)為第i根發(fā)送天線到第j根接收天線之間的信道沖激響應(yīng)；η(t)為高斯白噪聲。接收到的信號r(t)經(jīng)過模數(shù)變換、同步等輔助工作后，首先按照發(fā)送的幀格式拆包，分割出不同的信息。這些不同的信息都必須去掉循環(huán)前綴,經(jīng)過傅立葉變換。其中訓(xùn)練符號被送入信道估計(jì)模塊，進(jìn)行信道估計(jì)。被估計(jì)出的各個子載波的信道衰落因子和數(shù)據(jù)信息一起被送入n個網(wǎng)格譯碼器，進(jìn)行空時網(wǎng)格譯碼。這n個空時網(wǎng)格譯碼器的輸出經(jīng)過并/串變換形成需要的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而輸出。
??? 當(dāng)在接收端采用二副天線接收，接收端框圖如圖4所示，接收到的信號r1(t)和r2(t)可被表示為：
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??? 其中,hi,j(t)(i=1,2; j=1,2)為第i根發(fā)送天線到第j根接收天線之間的信道沖激響應(yīng)；η1(t),η2(t)為高斯白噪聲。接收到的信號r1(t)和r2(t)經(jīng)過模數(shù)變換、同步等輔助工作后，首先按照發(fā)送的幀格式拆包，分割出不同的信息域。這些不同的信息域都必須去掉循環(huán)前綴，經(jīng)過傅立葉變換。其中訓(xùn)練符號被送入信道估計(jì)模塊，進(jìn)行信道估計(jì)。被估計(jì)出的各個子載波的信道衰落因子和數(shù)據(jù)信息一起被送入n個網(wǎng)格譯碼器，進(jìn)行空時網(wǎng)格譯碼。這n個空時網(wǎng)格譯碼器的輸出經(jīng)過并/串變換形成需要的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而輸出。
??? 空時網(wǎng)格譯碼中的信道估計(jì)原理如下所述：由于訓(xùn)練符號是已知的，并且對于每個OFDM中的各個子載波，信道為平坦衰落信道,所以在已知發(fā)送信號和接收信號時，可以通過解線性方程求出對應(yīng)子載波的信道衰落因子，得出信道估計(jì)參數(shù)。
3 空時網(wǎng)格編碼和OFDM相結(jié)合的通信系統(tǒng)性能仿真分析
??? 采用基帶仿真模型，具體的仿真參數(shù)如下所述；空時網(wǎng)格編碼采用4PSK 4個狀態(tài)的網(wǎng)格編碼，OFDM調(diào)制采用32路子載波的OFDM調(diào)制，每路子載波調(diào)制采用QPSK調(diào)制。訓(xùn)練符號也采用相同的參數(shù)，用于信道估計(jì)。循環(huán)前綴的寬度占OFDM碼元的1/8。脈沖成型濾波器采用滾降系數(shù)為0.6的升余弦濾波器。數(shù)據(jù)速率為16Mbit/s，訓(xùn)練符號的速率和數(shù)據(jù)速率相同。筆者仿真了未采用空時網(wǎng)格編碼的OFDM通信系統(tǒng)、空時網(wǎng)格編碼和OFDM相結(jié)合的通信系統(tǒng)（一副接收天線）(STTC-OFDM 1R)、空時網(wǎng)格編碼和OFDM相結(jié)合的通信系統(tǒng)（兩副接收天線）(STTC-OFDM 2R)在不同信道下的系統(tǒng)性能。假定這三個系統(tǒng)，每一個調(diào)制符號的能量都是相同的，都為Es=1。
??? 圖5為這三個系統(tǒng)在高斯信道下的誤碼性能曲線圖。
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??? 在頻率選擇性信道下，采用ITU室內(nèi)B信道模型，ITU室內(nèi)B信道模型參數(shù)如表1。
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??? 其中在仿真中采用的多徑時延參數(shù)為ITU室內(nèi)B信道模型，碼片速率為8.0Mchip/s， 可分離多徑數(shù)為6；最大多普勒頻移為30Hz。具體的多徑時延和信道衰落參數(shù)如表2。仿真結(jié)果如表3所示。
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??? 對于未編碼的OFDM系統(tǒng)，假設(shè)信源速率為Rbit/s，經(jīng)過串/并變換，每個子載波的速率為R/32bit/s，每個子載波經(jīng)過QPSK調(diào)制后符號速率為R/64chip/s，經(jīng)過OFDM調(diào)制后符號速率為Rchip/s，再加上循環(huán)前綴符號速率變?yōu)?.125Rchip/s，經(jīng)過滾降系數(shù)為0.6的升余弦濾波器脈沖成型后，整個系統(tǒng)占用的帶寬為0.9RHz。所以未編碼的OFDM系統(tǒng)的信道利用率為1.11bit/s/Hz。當(dāng)采用4PSK 4個狀態(tài)的空時網(wǎng)格編碼時，由于4PSK 4個狀態(tài)的空時網(wǎng)格編碼是同時輸入2個比特，同時產(chǎn)生2個符號，它們分別對應(yīng)發(fā)送天線1和發(fā)送天線2。因此對每一個發(fā)送天線來說，其符號速率為未編碼的OFDM系統(tǒng)符號速率的一半即為R/64chip/s；然后每個子載波經(jīng)過QPSK調(diào)制后符號速率為R/128chip/s，再經(jīng)過OFDM調(diào)制后符號速率為R/2chip/s，再加上循環(huán)前綴符號速率變?yōu)?.5625Rchip/s，經(jīng)過滾降系數(shù)為0.6的升余弦濾波器脈沖成型后，整個系統(tǒng)占用的帶寬為0.45 RHz。所以采用空時網(wǎng)格編碼的OFDM系統(tǒng)信道利用率為2.22bit/s/Hz，是未采用空時編碼的OFDM系統(tǒng)信道利用率的2倍。
??? 如圖5所示，在高斯信道下未編碼的OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能反而比采用空時網(wǎng)格編碼的OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能好，采用網(wǎng)格編碼的OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能大約比未編碼的OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能惡化1dB，采用分集接收后可以為系統(tǒng)帶來大約3dB的分集增益。如表3所示，在頻率選擇性衰落信道下采用空時網(wǎng)格編碼的OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能明顯優(yōu)于未采用空時網(wǎng)格編碼的OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能；同時采用兩副接收天線的STTC-OFDM系統(tǒng)比采用一副接收天線的STTC-OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能要好。這說明采用空時網(wǎng)格編碼的OFDM系統(tǒng)非常適于應(yīng)用在頻率選擇性衰落信道下，同時采用較多的接收天線可以有效地改善系統(tǒng)的誤碼率性能。
??? 空時網(wǎng)格編碼可以有效提高信道的容量，采用空時網(wǎng)格編碼的系統(tǒng)信道容量比未采用空時網(wǎng)格編碼的系統(tǒng)信道容量提高了2倍。 如果在接收端采用多副天線的話，可以帶來空間分集增益，這種分集增益在頻率選擇性衰落信道下表現(xiàn)得更加突出?？諘r網(wǎng)格編碼更適于應(yīng)用在頻率選擇性衰落信道中。在頻率選擇性信道中，它可以有效地提高系統(tǒng)性能。
參考文獻(xiàn)
1 Vahid Tarokh, Nambi Seshadri, A.R.Calderbank. Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication:Performance Criterion and Code Construction. IEEE Trans.On Information Theory, 1998;42(2):744～765
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3 Jiang Yue and Jerry D.Gibson. Performance of OFDM System with Space-Time Coding[C]. Wireless Communications?and Networking Conference, 2002.WCNC2002.2002 IEEE,volume:1 17～21 March 2002:280～284