一种改进的差分空时频编码OFDM系统设计

2008年第07期,第41卷通信技术Vol.41,No.07,2008总第199期Communications TechnologyNo. 199, Totally种改进的差分空时频编码OFDM系统设计刘伟,崔卫国,胡娥梅(河南科技大学电子信息工程学院,河南洛阳471003)擴要】平滑逻辑信道子载波排序和子载波删除可以提高差分空频编码θF甽M的性能,但是导致系統频谮利用率的下降文中提出一种改进的差分空时频编码的方案,在一个F硎M符号内采用平滑逻辑信道进行空频编码,对于删除的子载滅在相邻的0F甽M符号间进行差分空时编码。研究结果袤明,这种改进的空时频编码θFM系统和平滑逻輯信道空时编码0FD系统对比提高了频谱利用率,而没有明显的性能损失关键词】空时编码;正交频分复用;差分空时频编码;平滑逻辑信道【中图分类号】TN911.22【文献标识码】A【文章编号】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引言但是当多径信道的相干带宽可以和差分空频编码的子在无线信道中采用多天线空时编码技术可以获得远大载波间隔比拟时, DSFC-OFDM的性能出现严重恶化。文献[4]于单天线的信道容量,是无线通信的关键技术之一。正交提出利用子载波重新排序生成平滑逻辑信道,在逻辑信道上频分复用( Orthogonal Frequency Division駟 multiplexing,进行差分空频编吗和子载波删除,这种平滑逻辑信道差分空0FDM)调制具有频谱利用率高、均衡器简单和容易实现频率频编码可以改善 DSFC-OFDM的性能,但是由于删除了部分衰分集的特点,在无线局域网、宽带无线接入以及数字视频广落独立的子载波,降低了系统的频谱利用率。文中提出一种播系统中得到广泛应用。结合多天线技术和0FDM优点的空改进的 SFC-OFDM传输方案,在频域仍采用平滑逻辑信道实频编码0FDM技术已经成为未来移动通信和无线通信的研究现差分空频编码,而对衰落独立的子载波在时域采用差分空热点,差分空频编码0 FDM(Differentially Space-Frequency时编码,这种二维差分空时频编码可以提高系统的频谱利用Coding Orthogonal Frequency Division Multiplexing,率。研究结果表明,这种改进的差分空时频编码QFDM系统DSFC-OFDM)系统具有无需信道参数估计和接收机简单优点,和平滑逻辑信道上 DSFC-OFDM系统具有相近的性能,而频谱是无线通信的一种简单有效的方案。利用率得到改善收稿期:2008-02-20作者简介:刘伟(1969-),男,副教授,主要研究方向为宽带无线通信和通信信号处理:崔卫国(1981-),男,硕土研究生,主要研究方向为宽带无线通信技术:胡娥梅(1981-),女,硕士研究生,主要研究方向为高速数据传输和数字信号处理1系统模型这里X1=x,V是从循环信号星座中选择的酉对角矩考虑的 DSFC-OFDM系统有M根发射天线和M,根阵,包含发送的信息,循环星座的大小为L。在每个0FDM接收天线,每个OFDM符号有N个子载波,发射端和接收端符号中,从两个接收矩阵y和y:(D=23…,P中进行差都无信道状态信息。假定不同发射和接收天线间的衰落信道分译码:具有L个路径,并且具有相同的功率延迟图( power- delayY,=vpV X-p +Z,,Y,-=vpX,He- +Z,-profile,PDP尸)。图1给出具有2根发射天线的发射机结构(5)根据多径信道PDP对子载波重新排序得到平滑逻辑信道,同可以得到时确定进行差分空频编码的子载波数目和序号,剩下的子载波再以多普勒频移为判断条件确定是否采用时域差分。满足这里△,=H-H是信道响应H,和H。之差差分空频数据分组加上差分空时数据块等于串并转换块输z。=Z。-VZn是以均值为0,方差为2的高斯随机变量为入的数据。接收机是发射机的逆过程。元素的噪声矩阵。如果H≈H·那么近似的最大似然译多径信道统计功率延迟和 Doppler频移码可以表示为:,=arg min I,-vY I,(7)空频}叫空频OFDM其中Q∈{q,,…,M-号,‖X,代表矩阵X的 Frobenius范排序文中同时采用酉空时码在相邻的0FDM符号之间实现差数1转分空时编码方案“,用一组M个不同的M×M酉矩阵vV,…,V:来代表M个不同的调制符号,其中M=2"在发射端,将M个比特组c映射到调制信号集,选择酉矩图1发射天线为2的发射机结构框阵V,其中l∈{0,…,M-1,用X代表分组时的传输矩假设FDM的循环前缓的长度大于信道的最大多径扩展,阵,初始传输矩阵=l,作为参考矩阵,以后按照差分方并且接收端可以实现理想的时频同步。接收端第j根接收天式发送数据线的第m(0snSN-1)个子载波上接收基带可以表示为y(n=√F∑x(n1)H1、(+z(n101)3平滑逻辑信道的获取这里x(n,)是第i根天线在第t时刻上发射的第n个子载波文献[4]提出利用信道的统计信息PDP而不是精确的信信号,H,(m)是第i根发射天线和第j根接收天线之间的道状态信息,通过对子载波捧序来构造平滑逻辑信道的方第n个子载波第时刻上的信道频率响应,z(n)是第∫根法,根据文献(4,最大化平均信噪比条件等价信道的平均接收天线上第n个子载波第t时刻上的均值为零单位方差复失配度最小,信道失配度定义为高斯白噪声,√为能量控制因子,信道频率响应H1,(n)可(P-orM 22 d(o(ne), o(elk )以表示为其中H(n)=∑a,(,)exp-24r(2)d(@.)=54sin'(r(-)r, / T16这里a,()是第条路径第r时刻上的复增益,可是第/路/表示子载波的序号,排序方法为把原始信道中第n个径的延迟,4=/T是子载波间隔,T为0FM符号周期。子载波排序到第叭(n)个子载波最小化的信道失配度可以a,(,)可以看成是均值为零方差为2的高斯随机变量。L转换为二维欧氏空间上最短路径问题,可以通过 Di jkstra条路径上的功率之和归一化为1.在(1)式中,假定发射符算法进行求解号x(n,1)满足能量约束条件为对于任意的M≥2,考虑一个二维欧氏空间上有E|∑∑x(n)|=N(3){2…,P结点的全通网络,每一个结点代表了一个含有rM个元素的集合。两个结点或p和q(≤pqSP)之间的距离被定义为2差分空频编码和空时编码文中采用文献[5]提出的差分空频码的结构,定义D(P, q)P-lN/M」.在每个FDM符号中,把发送信号在一个0FDM那么,(8)式中的信道失配度可以被认为是网络中覆盖P个符号内进行差分编码,编码规则为集合的路径的长度。为了找到一个最短的路径覆盖所有集X=HXn1P=1,2…P-1(4)合,可采用 Di jkstra算法来获得具有最短路径的平滑逻辑E/N6=20dB时,误比特率为10。由此可见,子载波排发射端通过D(p,)值来判断逻辑信道中哪些子信道可序和删除对 DSFC-OFD的性能有明显改善。但是子载波删除以用来在频域内差分,哪些子信道可以用来在时域内差分,降低了系统频谱利用率。在系统仿真中有21组子信道被删在OFDM符号之间进行时域差分空时编码受到多普勒频移的除,信道利用率为67%:采用前面介绍的改进空时频编码方影响。D(Pq)值的选取和调制方式有关案,对于相邻两组子信道失配度D(p,q)>0.5的子载波采用酉矩阵在相邻的0FDM符号之间进行差分空时编码。从图中4数值仿真结果看出,当E/N=20dB时,BER=15×10,性能和平滑逻根据前面提出的信号模型本文对差分空时频编码0FDM辑信道DFC0FDM的性能接近,但是 DSFC-OFDM中删除的21性能进行数值仿真,系统参数选择如下:发射天线组子信道被用来传输信息,系统频谱利用率得到改善。Mr=2,接收天线M=1,每个0FDM符号含有N=128个子载波,采用的循环信号星座是{=dag",),5结语=01,2,3},H是对角酉矩阵,每个信号矩阵H表示了一个文中提出基于平滑逻辑信道改进的一种差分空时频编2比特的信息符号。信道模型采用C0sT207的典型城市环境码OFDM的方法,这种方法在平滑逻辑信道 DSFC-OFDM传输的6径信道模型, Doppler频移100H,系统总带宽的基础上,充分利用独立衰落的子载波传输信息,研究结果Bn4MHz,OFmM符号周期为32μs(不含循环前缀),多径表明,这种新方法可以在不降低DSFC-0FDM系统性能的条件信道的最大延迟为5ps,相干带宽200kHz,子载波间隔下提高系统的频谱利用率31.25kHz。数值仿真结果如图2所示,图中横坐标为平均比特信噪比E/N’纵坐标为误比特率( Bit Error Rate,参考文献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讪 hout logical channelComunications [] IEEE Transactions on Comunications, 2005,53(12):202420285 Su Weifeng, Safar Z. Obtaining Full-Diversity Space-Frequency图2两发一收DSFC-0FDM系统的性能Codes From Space-Time Codes via Mapping []. IEEE Transactions从图2中可以看出,在差分空频编码方式下,相邻两组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计算机网络[].潘爱民译D(p,q)=0.1192,当E/N。=20dB时,误比特率为四版,北京:清华大学出版社,200425×103。经过子载波排序生成平滑逻辑信道,并对相邻两7 Patzold M. Mobile Fading Channels [M]. Chichester, England: John组子信道的失配度D(p,q)>0.05的子载波进行删除,处理后Wiley Sons, 2002的平滑逻辑信道中相邻两组子信道的失配度最小值D-(,q)=0011,最大值D=(p.q)=005,当《通信技术》收稿邮箱:comtek@vip.sina.com《信息安全与通信保密》收稿邮箱:Clsmag@vip.sina.com