空時(shí)／頻編碼在OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引言

OFDM在頻域把信道分成若干正交子信道，可以有效地抵抗符號(hào)間干擾ISI。空時(shí)編碼和空頻編碼能夠充分利用空間、時(shí)間和頻率上的分集，因此將空時(shí)或空頻編碼與OFDM相結(jié)合構(gòu)成空時(shí)／頻編碼OFDM系統(tǒng)，能夠大幅度地提高系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并能有效地抵抗衰落、抑制噪聲和干擾。

1 空時(shí)編碼

空時(shí)編碼主要包括空時(shí)分組編碼(SFBC)、空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC)和分層空時(shí)碼(LST)，目前研究的空時(shí)分組編碼大多是正交空時(shí)分組編碼，正交空時(shí)分組編碼以其編解碼簡(jiǎn)單的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，這里以2根發(fā)送天線和1根接收天線的Alamouti發(fā)送分集-空時(shí)分組編碼系統(tǒng)為例。把從信源來(lái)的二進(jìn)制信息比特每個(gè)比特分為1組，對(duì)連續(xù)的2組比特進(jìn)行星座映射，得到2個(gè)調(diào)制符號(hào)x1、x2。然后把這2個(gè)符號(hào)送入編碼器按照下面的方式進(jìn)行編碼：

經(jīng)過(guò)編碼后的符號(hào)分別從2副天線上發(fā)送出去。假設(shè)在時(shí)刻t發(fā)送天線1和2到接收天線的信道衰落系數(shù)分別為h1(t)、h2(t)，假設(shè)信道為塊衰落，記接收天線在時(shí)刻t和t+T的接收信號(hào)分別為r1、r2，有：

n1、n2表示接收天線在時(shí)刻t和t+T時(shí)的獨(dú)立復(fù)高斯白噪聲，假設(shè)噪聲的均值為0，每維的方差為N0／2。

根據(jù)最大似然譯碼得解碼后的信號(hào)為：

2 空頻編碼

空頻分組碼也是利用正交原理設(shè)計(jì)各發(fā)射天線上的發(fā)射信號(hào)格式，是一種空間域和頻域聯(lián)合的正交分組編碼方式。以二發(fā)一收的空頻分組碼系統(tǒng)為例，沒一個(gè)OFDM符號(hào)表示為，每一符號(hào)有N個(gè)子載波，輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)串并變化后為x=[x(0)，x(1)，…，x(N-1)]T，與空時(shí)編碼器不同的是，空頻編碼器對(duì)x內(nèi)的每2個(gè)相鄰子載波上的信號(hào)x(k)、x(k+1)進(jìn)行編碼，編碼后得到2個(gè)新的OFDM符號(hào)，把它們送到2根發(fā)送天線上。

對(duì)x進(jìn)行SFBC編碼，編碼采用類似于Alamouti提出的STBC分組變換方式，有：

空頻碼字的基本形式與空時(shí)碼是一樣的，但含義卻不一樣，空頻碼字的含義是：2根天線的第1個(gè)子載波傳輸?shù)拇a字分別是x(k)、x(k+1)，而2根天線的第2個(gè)子載波傳輸?shù)拇a字分別是-x*(k+1)、x*(k)。2個(gè)信道的沖激響應(yīng)分別為h1、h2，其FFT變換分別為H1、H2，則接收端的信號(hào)可以表示為：

Y(k)=H1(k)X1(k)+H2(k)X2(k)。 (6)

SFBC編碼后的碼組是正交的，這種正交性使得接收端能夠線性地區(qū)分來(lái)自不同發(fā)射天線的信號(hào)，在接收端進(jìn)行線性的解碼。經(jīng)過(guò)解碼后第k個(gè)和k+1個(gè)子載波分別為：

SFBC編碼中N個(gè)子載波構(gòu)成的不同路數(shù)據(jù)在不同天線上發(fā)送。各個(gè)天線之間的信道是相互獨(dú)立的，同一子載波經(jīng)過(guò)不同的深衰落，最后在接收端經(jīng)過(guò)解碼合并達(dá)到抵抗頻率選擇性衰落的目的。

3 基于空時(shí)／頻編碼的OFDM系統(tǒng)

3.1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型

設(shè)移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站采用Nt個(gè)發(fā)射天線，移動(dòng)終端采用Nr個(gè)接收天線，信息數(shù)據(jù)流送入空時(shí)或空頻編碼器后，分成Nt路并行數(shù)據(jù)流，再分別經(jīng)過(guò)IFFT調(diào)制單元后由Nt副天線同時(shí)發(fā)送出去。

假定系統(tǒng)加了適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)前綴，且保持嚴(yán)格同步，記第l個(gè)符號(hào)周期內(nèi)發(fā)送天線i，接收天線i上的信號(hào)依次為Xi[l，k]、Yj[l，k]，則在接收天線j上經(jīng)解調(diào)后的OFDM基帶等效信號(hào)可以表達(dá)為矩陣形式：

式中，Wj為N×1的列矢量，代表信道噪聲；Hij為發(fā)射天線i與接收天線j間的信道頻率響應(yīng)，Hij=[Hij[l，0]，Hij[l，1]，…，Hij[l，N-1]]T；Xi=diag(Xi[l，0]，Xi[l，1]，…，Xi[l，N-1])，為一對(duì)角陣。