支持多速率服务的差分空时分组编码OFDMA

2004牛1月通信学报Vol, 25第25卷第1JOURNAL OF CHINA INSTITUTE OF COMMUNICATION支持多速率服务的差分空时分组编码 OFDMA陈钟麟,朱光喜,蔡玮(华中科技大学电子与信息L程系,湖北武汉430074)摘要:针对多用户/多速率环境提出了非相干传输方案,通过采用双发射天线,该设计可确保在频率选择性衰落信道中实现全码率、满分集通信。与已有的差分空时编码OFDM设计相比,本方案对信号星图无任何限制,因而可通过幅度和相位同时携带信息提高频谱效率。关键词:空时码; OFDMA:差分调制:频率选择性衰落中图分类号:TN93.24文献标识码:A文章编号:1000436X(200401.034-09Differential space-time block-codedOFDMA for multirate servicesCHEN Zhong-lin, ZHU Guang-xi, CAI Wei(Dept of Electronics Information Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)Abstract: A noncoherent transmission scheme in a multiuser/ multirate setting, which allow full-rate andfull-diversity communication over frequency-selective fading channels using two transmit antennasCompared with the existing differential space-time coded OFDM designs, our scheme imposes norestrictions on underlying signal constellations. This generalization potentially allows the spectralefficiency to be increased by camying information not only on phases but also on amplitudes.Key words: space-time code: OFDMA; differential modulation; frequency-selective fading1引言空时码(STC, space-time code术与正交频分多址 OFDMA, orthogonal frequencydivision multiple access)相结合,将会成为很有前途的多用户宽带无线通信技术8。这是因为(1)OFDM采用FFT将多径产生的频率选择性衰落信道转化为多个具有平坦衰落的子信道,因而可在子信道上使基于平坦衰落的空时码技术提高系统的抗衰落性能8(2)运用 OFDMA技术,可以完全消除多用户干扰MU, multiuser interference)的影响。并且,接收端无需获得与干扰用户相关的信道状态信息CSI, channel state information)就可实收稿日期:2003-0409;修订日期:20030725基金项目:国家“863”基金资助项目(2001AA121031)第1期钟麟等:支持多速率服务的差分空时分组编码 OFDMA现相干译码。因此,在可应用空时码的多输入、多输出环境中,接收设备的复杂度将大幅下降8在已有的 STC-OFDMA系统中8,通常假定接收端已获得必要的CS。但在某些条件下,我们希望实现差分接收,这主要出于以下考虑0:第一,无需为获得CSI进行信道佔计,可减少接收设备的实现复杂度,增加有效的传输带宽;第二,在髙速移动环境中,信道的快衰落特性使得信道估计变得异常困难。首个差分 STC-OFDM方案由 Diggi等人提出,但它只适用于PSK调制的情形。作为改进,本文将 OFDMA例和差分 Alamo空时分组码( DASTBC, differential Alamoutispace-time block code)相结合,通过采用双发射天线,针对无线多径衰落信道提出了支持多用户/多速率服务、可实现任意星图调制的差分空时分组编码多址方法。其主要思想是OFDMA确保在FR信道中完全消除MUI的影响;在此基础上,通过符号分组和差分空时调制,使得不论接收端是否获得信道估计,都可保证以满分集増益和线性复杂度恢复发送符号。本文规定:⑧表示矩阵的张量积( Kronecker积)。上标T、*、H分别表示矩阵的转置、复共轭、复共轭转置。Diag(d,d2,…dM)表示MxM的对角方阵,其对角元素由列矢量的元素d1,d2dM决定。0w(1MxN)表示所有元素都是零(1)的MxN矩阵,I表示MxM的单位矩阵。E表示求随机量的数学期望。假设a、b为整数,且有agm-lcQ√am()232,Em()Hm)(24a)coherentam,A(n)=[EmA()+Em+gm)yDLn为偶数(24b)Em, k(n-20m)+Em, k(n-Om+Em(n-gn)+Em(O)yDL.n为奇数HnA=∑21∑ Hmi(exp(j2xm=D/P)(24c)式中Q(x2=(2703e2d(≥0,D表示差分情形,pmk是集合m中第k个元素的值4仿真结果本节给出了NR=1和NR=2的仿真结果。仿真中, OFDMA系统的带宽为2MHz,子载波数为256。系统包含2个高速用户、2个中速用户、4个低速用户。每一高速用户分配64个子载波,每中速用户分配32个子载波,每一低速用户分配16个子载波。为在实际环境中测试系统性能,仿真中采用了GSM推荐标准0505给出的 Rayleigh衰落信道。它由6条路径构成,最大时延扩展为5μs12为简单起见,我们规定:对不同的m,,hj(彼此独立,并且信道的最大 Doppler频移为20Hz。由于不同速率的用户具有几乎完全相同的性能曲线,这里我们只讨论中速用户的仿真结果图2显示了单接收天线的仿真结果。为说明多天线带来的好处,图中同时给出了DASTBC-OFDMA系统、单发射天线 OFDMA系统的性能曲线例。在单天线 OFDMA系统中我们针对每一子载波使用16DPSK调制技术,并在接收端采用差分检测方法。仿真表明,多发射天线可以大幡提高系统性能。以BER=2×102为例,与基于单发射天线的 OFDMA系统相比,16 QAM-DASTBC-OFDMA系统的性能增益不小于6dB。另一方面,当BER=2×103,与16 PSK-DASTBC-OFDMA相比,16 QAM-DASTBC-OFDMA的性能提高约为15dB,这表明,在差分空时编码中引入多幅度、多相位的调制方法可以获得更高的频谱效率。事实上,第1期陈钟解等:支持多速率服务的差分空时分组编码 OFDMA由于16QAM调制的性能优于16PSK调制,利用式(17)给出的译码器表达式,容易理解以上仿真结果。同时,从图2还可看出,与相干译码方法相比,16 QAM- DASTBC-OFDMA的差分检测可获得相同的分集增益,但性能下降约为3~4dB当接收天线数等于2,图3对不同调制方式下的 DASTBO- OFDMA系统进行了性能比较。以BER=103为例,16 QAM-DASTBC-OFDMA与16 PSK-DASTBC-OFDMA相比,性能提高约为25dB。通过与图2比较还可发现,当采用相同的调制方式时,图3中的曲线下降更快这是由分集增益随接收天线数正比增加而形成的理理!!Sohis H U N315171921232527SWR/dBSNR/dB图2单接收天线的性能曲线图3双接收天线的性能曲线5结论采用符号分组和 OFDMA,本文针对频率选择性信道提出了一个差分空时编码的多用户多速率系统。由于该方案对信号星图无任何限制,因而可通过幅度和相位同时携带信息提高系统的频谱效率。系统设计分为两层:首先, OFDMA用于完全消除MUI的影响;其次,不论接收端是否获得信道评估信息,空时编码可保证以满分集增益和线性复杂度恢复发送符号。对本方案稍作修改,我们可以采用线性预编码方法进一步提高系统性能例。参考文献l) TAROKH V, SESHADRI N, CALDERBANK A R. Space-time codes for high data rate wireless communication: performanceanalysis and code construction]. IEEE Trans Inform Theory, 1998. 44(2): 744-765[2] TAROKH V, JAFARKHANI H, CALDERBANK A R. Space-time block codes from orthogonal designs[J]. IEEE Trans InformALAMOUTI S M. A simple transmit diversity technique for wireless communications(]. IEEEJ Select Areas Commun. 1998. 16(8)145|-1458.[41 AGRAWAL D, TAROKH V, NAGUIB A, et al. Space-time coded OFDM for high data rate wireless communication over wideband[51 HONG Z, HUGHS B L Robust space-time codes for broadband OFDM systems[A]. IEEE WCNC02IC] 2002. 105-108,[61 LU B, WANG X, NARAYANAN K R. LDPC-based space- time coded OFDM systems over correlated fading channels: performancens Commun2002,501):7488.[7 STAMOULIS A, lU Z GIANNAKIS G B, Space-time block-coded OFDMA with precoding for multirate services[J]. IEEE TransSignal Processing, 2002, 50(1): 119-129.通信学报[81 LIU Z, GIANNAKIS G B. Space-time block-coded multiple access through frequency-selective fading channels[J]. IEEE Transommen,2001,49(6):1033-1044[91 WANG Z, GIANNAKIS G B Wireless multicarrier communications: where fourier meets shannon[J]. IEEE Signal Processing Mag,200,17:2948[Ol DIGGAVI S N, AL- DHAHIR N, STAMOULIS A et al Differential space- time coding for frequency-selective channels[]. IEEECommuns Letter, 2002, 6(6): 253-255111] PROAKIS J G Digital Communications, Fourth Edition[M]. New York: McGraw-HilL, 1999[12] European Telecommunications Standrads Institute, European Digital Cellular Telecommunication System(Phase 2): RadioTransmission and Reception, GSM OS.05, ver. 4.6.o[S]. Sophia Antipolis Cedex, france July, 1993作者简介陈钟麟(1968-),男,湖北武朱光喜(1945-),男,广西玉汉人,华中科技大学博士生,主要林人,华中科技大学教授、博士生研究方向为空时编码。导师,主要研究方向为多媒体通信。蔡玮(1974),女,湖北红安人,华中科技大学博士生,主要研究方向为OFDM的信号同步