一種改進(jìn)的差分空時(shí)頻編碼OFDM系統設計

2008年第07期,第41卷通信技術(shù)Vol.41,No.07,2008總第199期Communications TechnologyNo. 199, Totally種改進(jìn)的差分空時(shí)頻編碼OFDM系統設計劉偉,崔衛國,胡娥梅(河南科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,河南洛陽(yáng)471003)擴要】平滑邏輯信道子載波排序和子載波刪除可以提高差分空頻編碼θF甽M的性能,但是導致系統頻譖利用率的下降文中提出一種改進(jìn)的差分空時(shí)頻編碼的方案,在一個(gè)F硎M符號內采用平滑邏輯信道進(jìn)行空頻編碼,對于刪除的子載滅在相鄰的0F甽M符號間進(jìn)行差分空時(shí)編碼。研究結果袤明,這種改進(jìn)的空時(shí)頻編碼θFM系統和平滑邏輯信道空時(shí)編碼0FD系統對比提高了頻譜利用率,而沒(méi)有明顯的性能損失關(guān)鍵詞】空時(shí)編碼;正交頻分復用;差分空時(shí)頻編碼;平滑邏輯信道【中圖分類(lèi)號】TN911.22【文獻標識碼】A【文章編號】1002-0802(2008)07-0075-03Design on Improved Differentially Space-Time-Frequency Coded OFDM SystemLIU Wei, CUI We i(School of Electronic Information Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang Henan 471003, China)(] A smooth logical channel is an efficient method to improve the performance of differentialpace-frequency coded orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) by re-sorting subcarriers and pruningsubcarriers. However it reduces the spectrum utilization of the space-frequency coded OFDM systems. an improvdifferentially space-time-frequency coded OFDM method is presented in this paper The space-frequency coding oversmooth logocal channel is implemented within per OFDM symbol and the differentially space-time coding is realizedbetween two successive OFDM symbols. The results show that the spectrum utilization of space-time-frequency codedOFDM is higher than that of space-frequency coded OFDM, and this improved system also has no distinct performancedeterioration(Keywords] space-time coding: OFDM; differential space-time-frequency coding: smooth logical channel0引言但是當多徑信道的相干帶寬可以和差分空頻編碼的子在無(wú)線(xiàn)信道中采用多天線(xiàn)空時(shí)編碼技術(shù)可以獲得遠大載波間隔比擬時(shí), DSFC-OFDM的性能出現嚴重惡化。文獻[4]于單天線(xiàn)的信道容量,是無(wú)線(xiàn)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。正交提出利用子載波重新排序生成平滑邏輯信道,在邏輯信道上頻分復用( Orthogonal Frequency Division駟 multiplexing,進(jìn)行差分空頻編嗎和子載波刪除,這種平滑邏輯信道差分空0FDM)調制具有頻譜利用率高、均衡器簡(jiǎn)單和容易實(shí)現頻率頻編碼可以改善 DSFC-OFDM的性能,但是由于刪除了部分衰分集的特點(diǎn),在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、寬帶無(wú)線(xiàn)接入以及數字視頻廣落獨立的子載波,降低了系統的頻譜利用率。文中提出一種播系統中得到廣泛應用。結合多天線(xiàn)技術(shù)和0FDM優(yōu)點(diǎn)的空改進(jìn)的 SFC-OFDM傳輸方案,在頻域仍采用平滑邏輯信道實(shí)頻編碼0FDM技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)移動(dòng)通信和無(wú)線(xiàn)通信的研究現差分空頻編碼,而對衰落獨立的子載波在時(shí)域采用差分空熱點(diǎn),差分空頻編碼0 FDM(Differentially Space-Frequency時(shí)編碼,這種二維差分空時(shí)頻編碼可以提高系統的頻譜利用Coding Orthogonal Frequency Division Multiplexing,率。研究結果表明,這種改進(jìn)的差分空時(shí)頻編碼QFDM系統DSFC-OFDM)系統具有無(wú)需信道參數估計和接收機簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn),和平滑邏輯信道上 DSFC-OFDM系統具有相近的性能,而頻譜是無(wú)線(xiàn)通信的一種簡(jiǎn)單有效的方案。利用率得到改善收稿期:2008-02-20作者簡(jiǎn)介:劉偉(1969-),男,副教授,主要研究方向為寬帶無(wú)線(xiàn)通信和通信信號處理:崔衛國(1981-),男,碩土研究生,主要研究方向為寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù):胡娥梅(1981-),女,碩士研究生,主要研究方向為高速數據傳輸和數字信號處理1系統模型這里X1=x,V是從循環(huán)信號星座中選擇的酉對角矩考慮的 DSFC-OFDM系統有M根發(fā)射天線(xiàn)和M,根陣,包含發(fā)送的信息,循環(huán)星座的大小為L(cháng)。在每個(gè)0FDM接收天線(xiàn),每個(gè)OFDM符號有N個(gè)子載波,發(fā)射端和接收端符號中,從兩個(gè)接收矩陣y和y:(D=23…,P中進(jìn)行差都無(wú)信道狀態(tài)信息。假定不同發(fā)射和接收天線(xiàn)間的衰落信道分譯碼:具有L個(gè)路徑,并且具有相同的功率延遲圖( power- delayY,=vpV X-p +Z,,Y,-=vpX,He- +Z,-profile,PDP尸)。圖1給出具有2根發(fā)射天線(xiàn)的發(fā)射機結構(5)根據多徑信道PDP對子載波重新排序得到平滑邏輯信道,同可以得到時(shí)確定進(jìn)行差分空頻編碼的子載波數目和序號,剩下的子載波再以多普勒頻移為判斷條件確定是否采用時(shí)域差分。滿(mǎn)足這里△,=H-H是信道響應H,和H。之差差分空頻數據分組加上差分空時(shí)數據塊等于串并轉換塊輸z。=Z。-VZn是以均值為0,方差為2的高斯隨機變量為入的數據。接收機是發(fā)射機的逆過(guò)程。元素的噪聲矩陣。如果H≈H·那么近似的最大似然譯多徑信道統計功率延遲和 Doppler頻移碼可以表示為:,=arg min I,-vY I,(7)空頻}叫空頻OFDM其中Q∈{q,,…,M-號,‖X,代表矩陣X的 Frobenius范排序文中同時(shí)采用酉空時(shí)碼在相鄰的0FDM符號之間實(shí)現差數1轉分空時(shí)編碼方案“,用一組M個(gè)不同的M×M酉矩陣vV,…,V:來(lái)代表M個(gè)不同的調制符號,其中M=2"在發(fā)射端,將M個(gè)比特組c映射到調制信號集,選擇酉矩圖1發(fā)射天線(xiàn)為2的發(fā)射機結構框陣V,其中l∈{0,…,M-1,用X代表分組時(shí)的傳輸矩假設FDM的循環(huán)前緩的長(cháng)度大于信道的最大多徑擴展,陣,初始傳輸矩陣=l,作為參考矩陣,以后按照差分方并且接收端可以實(shí)現理想的時(shí)頻同步。接收端第j根接收天式發(fā)送數據線(xiàn)的第m(0snSN-1)個(gè)子載波上接收基帶可以表示為y(n=√F∑x(n1)H1、(+z(n101)3平滑邏輯信道的獲取這里x(n,)是第i根天線(xiàn)在第t時(shí)刻上發(fā)射的第n個(gè)子載波文獻[4]提出利用信道的統計信息PDP而不是精確的信信號,H,(m)是第i根發(fā)射天線(xiàn)和第j根接收天線(xiàn)之間的道狀態(tài)信息,通過(guò)對子載波捧序來(lái)構造平滑邏輯信道的方第n個(gè)子載波第時(shí)刻上的信道頻率響應,z(n)是第∫根法,根據文獻(4,最大化平均信噪比條件等價(jià)信道的平均接收天線(xiàn)上第n個(gè)子載波第t時(shí)刻上的均值為零單位方差復失配度最小,信道失配度定義為高斯白噪聲,√為能量控制因子,信道頻率響應H1,(n)可(P-orM 22 d(o(ne), o(elk )以表示為其中H(n)=∑a,(,)exp-24r(2)d(@.)=54sin'(r(-)r, / T16這里a,()是第條路徑第r時(shí)刻上的復增益,可是第/路/表示子載波的序號,排序方法為把原始信道中第n個(gè)徑的延遲,4=/T是子載波間隔,T為0FM符號周期。子載波排序到第叭(n)個(gè)子載波最小化的信道失配度可以a,(,)可以看成是均值為零方差為2的高斯隨機變量。L轉換為二維歐氏空間上最短路徑問(wèn)題,可以通過(guò) Di jkstra條路徑上的功率之和歸一化為1.在(1)式中,假定發(fā)射符算法進(jìn)行求解號x(n,1)滿(mǎn)足能量約束條件為對于任意的M≥2,考慮一個(gè)二維歐氏空間上有E|∑∑x(n)|=N(3){2…,P結點(diǎn)的全通網(wǎng)絡(luò ),每一個(gè)結點(diǎn)代表了一個(gè)含有rM個(gè)元素的集合。兩個(gè)結點(diǎn)或p和q(≤pqSP)之間的距離被定義為2差分空頻編碼和空時(shí)編碼文中采用文獻[5]提出的差分空頻碼的結構,定義D(P, q)P-lN/M」.在每個(gè)FDM符號中,把發(fā)送信號在一個(gè)0FDM那么,(8)式中的信道失配度可以被認為是網(wǎng)絡(luò )中覆蓋P個(gè)符號內進(jìn)行差分編碼,編碼規則為集合的路徑的長(cháng)度。為了找到一個(gè)最短的路徑覆蓋所有集X=HXn1P=1,2…P-1(4)合,可采用 Di jkstra算法來(lái)獲得具有最短路徑的平滑邏輯E/N6=20dB時(shí),誤比特率為10。由此可見(jiàn),子載波排發(fā)射端通過(guò)D(p,)值來(lái)判斷邏輯信道中哪些子信道可序和刪除對 DSFC-OFD的性能有明顯改善。但是子載波刪除以用來(lái)在頻域內差分,哪些子信道可以用來(lái)在時(shí)域內差分,降低了系統頻譜利用率。在系統仿真中有21組子信道被刪在OFDM符號之間進(jìn)行時(shí)域差分空時(shí)編碼受到多普勒頻移的除,信道利用率為67%:采用前面介紹的改進(jìn)空時(shí)頻編碼方影響。D(Pq)值的選取和調制方式有關(guān)案,對于相鄰兩組子信道失配度D(p,q)>0.5的子載波采用酉矩陣在相鄰的0FDM符號之間進(jìn)行差分空時(shí)編碼。從圖中4數值仿真結果看出,當E/N=20dB時(shí),BER=15×10,性能和平滑邏根據前面提出的信號模型本文對差分空時(shí)頻編碼0FDM輯信道DFC0FDM的性能接近,但是 DSFC-OFDM中刪除的21性能進(jìn)行數值仿真,系統參數選擇如下:發(fā)射天線(xiàn)組子信道被用來(lái)傳輸信息,系統頻譜利用率得到改善。Mr=2,接收天線(xiàn)M=1,每個(gè)0FDM符號含有N=128個(gè)子載波,采用的循環(huán)信號星座是{=dag",),5結語(yǔ)=01,2,3},H是對角酉矩陣,每個(gè)信號矩陣H表示了一個(gè)文中提出基于平滑邏輯信道改進(jìn)的一種差分空時(shí)頻編2比特的信息符號。信道模型采用C0sT207的典型城市環(huán)境碼OFDM的方法,這種方法在平滑邏輯信道 DSFC-OFDM傳輸的6徑信道模型, Doppler頻移100H,系統總帶寬的基礎上,充分利用獨立衰落的子載波傳輸信息,研究結果Bn4MHz,OFmM符號周期為32μs(不含循環(huán)前綴),多徑表明,這種新方法可以在不降低DSFC-0FDM系統性能的條件信道的最大延遲為5ps,相干帶寬200kHz,子載波間隔下提高系統的頻譜利用率31.25kHz。數值仿真結果如圖2所示,圖中橫坐標為平均比特信噪比E/N’縱坐標為誤比特率( Bit Error Rate,參考文獻BER)。I Jafarkhani H. Space-Time Coding: Theory and Practice [M] .NewYork, USA: Cambrideg University Press, 20052 Prasad R OFDM for Wireless Communications Systems [M]. Norwood,MA, USA: Artech House, 2004.3 Hochwald B M. Sweldens W. Differential Unitary Space-tineModulation [] IEEE Transactions on Commmunications, 20004 Su leifeng. Liu K J Ray. Differential Space-Frequency ModulationH DSF&DST with logical channelDSF with logical channel and pruningvia Smooth Logical Channel for Broadband Wirelessl0DsFw訕 hout logical channelComunications [] IEEE Transactions on Comunications, 2005,53(12):202420285 Su Weifeng, Safar Z. Obtaining Full-Diversity Space-Frequency圖2兩發(fā)一收DSFC-0FDM系統的性能Codes From Space-Time Codes via Mapping []. IEEE Transactions從圖2中可以看出,在差分空頻編碼方式下,相鄰兩組on Signal Processing, 2003, 51(11)子信道的失配度最小值D-(Pp.q)=00088,最大值6 Tanenbaus A計算機網(wǎng)絡(luò )[].潘愛(ài)民譯D(p,q)=0.1192,當E/N。=20dB時(shí),誤比特率為四版,北京:清華大學(xué)出版社,200425×103。經(jīng)過(guò)子載波排序生成平滑邏輯信道,并對相鄰兩7 Patzold M. Mobile Fading Channels [M]. Chichester, England: John組子信道的失配度D(p,q)>0.05的子載波進(jìn)行刪除,處理后Wiley Sons, 2002的平滑邏輯信道中相鄰兩組子信道的失配度最小值D-(,q)=0011,最大值D=(p.q)=005,當《通信技術(shù)》收稿郵箱:comtek@vip.sina.com《信息安全與通信保密》收稿郵箱:Clsmag@vip.sina.com