基于差分空时分组码的OFDM系统的性能分析

基于着分时分组码的OFDM系绵的性能分析陈静(南京邮电大学通信与信息工程学院南京210003)摘要本文介绍了差分空时分组码的编译码原理,研究了采用差分空时分组码的OFDM系统( DSTBC-OFDM)性能,仿真结果表明, DSTBC-OFDM系统的性能随着子载波数及子信道数的增加而提高。通过仿真还证明了多天线技术与OFDM技术相结合,系统性能可得到提高,更适用于多径无线信道,而且采用差分编码技术,接收端不需要信道估计,可以大大降低接收机的复杂度。关键词多输入多输出正交频分复用差分空时分组码多径信道子载波1引言送天线数目较多时也变得越来越困难,这将严重制约这些空时编码的应用。因此, Tarokh和 Jafarkhani移动通信的不断发展和人们对通信需求的日益在空时分组码理论的基础上,提出了基于正交设计增长,要求在有效的频谱资源上实现综合业务的快的差分空时分组码,该方案提供了简单的差分编码速传输,需要频谱效率极高的技术。OFDM技术,利和译码的方法。对于单天线系统,差分相移键控用多载波之间的正交性,高效利用频谱资源MMO(DSK)编码,不要进行信道估计,该差分方案已经( Multiple Input Multiple Output)技术,可以在不增加在实际蜂窝移动通信系统中广泛使用。例如美国数带宽的情况下,成倍的提高通信系统的容量和频谱字蜂窝系统标准IS54就使用了-DSK。本文利用率,一般的MIMO技术仅适用于平坦衰落信道,将差分方案扩展到MMO系统中,主要介绍了基于而OFDM技术可以将一个频率选择性衰落信道分割成若干并行的平坦衰落子信道,所以在MMO系统正交设计的差分空时分组码,并以两发一收的MI中采用OFDM技术能够对抗和减小多径传输引起的MO-OFDM系统为例,对其在M1225信道下的性能码间干扰,使信道更符合MMo技术所需的传输特进行了仿真和分析。性2差分空时分组码编译码原理目前空时编码技术主要包括分层空时码,空时分组编码空时网格编码。上述各类空时码的研究均21差分空时分组码编码原理是在准静态衰落信道条件下进行的,且需要信道信当发射天线数为2时,该方案首先发送两个参息进行信道估计。然而在实际无线通信系统中,并不考调制信号x1和x2。根据 Alamouti提出的空时分组能保证这个假设条件,信道估计在衰落较快或者发码论,发送端在t=1时刻,从两根天线同时发送信号x1和x2,并在t=2时刻,从两根天线发送信号x2根天线的基带信号的总发射功率为1。和x1。这两次传输不携带任何数据信息。然后,发送任何一个复信号矢量(x21,x22)都可以唯一的端采用差分方式对后面待发送的数据进行编码并用“和(-x2,x)正交基表示。表达式的系按如下方式进行发送。数为在2+1时刻,编码器根据先前发送的信号和差分矢量,计算后面要传输的调制符号为M2=-x2+1x2+x2+2x21(4)(x21,x2)=M1(x21,x2)+M2(-x2,x21)(1)对于给定星座A和参考矢量(x21,x2)来说,有因此,在2+1时刻分别从发射天线1和2发送2个不同的差分矢量(MM,),对应于2个不同的信号x;和x2,在2+2时刻分别从发射天线1和2信号矢量(x21,x2)因此,一个2b信息比特的分组发送一x2和x2,重复这一过程直到数据帧结束。与差分矢量M之间存在一一对应的关系。由此可见,2+1和2+2时刻发送的信号可以表22差分空时分组码译码原理为时刻2-1和2的线性组合。线性组合的系数设只有一根接收天线。r表示时刻t接收到的信(MM2)为差分矢量,由该时刻发送的数据决定。差号,n表示时刻t的噪声采样,和h表示时刻t从分空时分组码的关键步骤是计算一组差分矢量集发射天线1和2到接收天线的衰落系数。2-1、2、M,并将发送的信息比特映射到这个差分矢量集。下2+1和2+2时刻的接收信号可以表示为B,面介绍如何得到差分矢量的元素。厂2+1,r2+2设信息比特星座集为2-PSKh, h,令H且N2=(n21,n2)N2=(n2,2τkyl;k=0,1,2,…,2式中,信号幅度除以√2,功率归一化,这样两接收信号可以表示为hstn2=((2+12(2(xmx2:+xx2)+(xnx:)BN2+N(x2:2)+M12,(5n-2:=(12+1221(-x1:x+2x2:)+(x212)BN2+N21H(22:)+N212,(6)我们可以令M1=2r2-1+r2+2r2N2=(x21x2)HN21+N21B(x21x2)+N2nN2M2=2+12-7222N=(x. x,HN,N,.H(-X. x,)+N.N则根据式(5)和(6)(M1M2)是差分矢量(MM2)的相应函数。由于集MM1=2,h+252=(12+1)M+y(7)中的所有差分矢量都具有相等的长度,因此接收端Mh212M2+2(8)可从M中选择一个与判决统计矢量(M,M2)的最近判决统计信号矢量可表示为的差分矢量。然后逆映射,进行译码。(MM=(1+1(MM1)+(所9)23 DSTBC-OFDM系统框架图DSTBC-OFDM系统框架如图1所示,以两发对于给定的信道h1和h2,判决统计信号矢量收的系统为例。待发送的数据先进行差分空时分组channel A。3.1各差分系统间的性能比较P图2给出了采用 DQPSK调制的OFDMDSTBC系统,采用两发一收的差分空时分组码系统和采用两发一收差分空时分组码的OFDM系统三种差分系统的性能比较。从图中可以看出,采用两发一收差分空时分组码的OFDM系统的性能最好,单天线 DQPSK调制的OFDM系统性能最差。在102≤BER≤10的情况下,两天线系统比单天线系统的性能图1 DSTBC-OFDM系统框架图提高了2dB左右,两天线OFDM系统比单纯的两天线系统的性能又提高了差不多编码STBC),经差分调制后的符号分到各自的天2dB。可见,MIMO与OFDM两者的结合更适线上,然后每根天线单独进行OFDM调制,即将每个用于多径无线信道。天线上的信号串并变换(SP)到p个子载波上,反傅32子载波数对系统性能的影响里叶变换(IFT),加循环前缀(CP),再并串变化图3给出了 DSTBC-OFDM系统在子载波数分(S/P)成一行,从各自的天线上发出。经过信道,接收别为64、128、256的情况下的系统性能(信道的多普端进行一系列的反变换,最后差分译码,选择和集M勒频移=50Hz)从图中可以看出,随着子载波数的中最接近的差分矢量,通过逆映射估计出发送的原增加,系统的误码率会降低系统性能得到改善。始序列。3系统仿真和性能分析系统参数设置:载波频率()为90MTHz,样率()为4 Mbit/s,子载波数(p)为256,循环前缀(CP)为32,发送天线数为2,接收天线数为1。信道模型采用ETSI的UTRA(UMTS陆地无线接入)信道模型81012141618SNR(dB)图3子载波数对 DSTBC-OFDM系统性能的影响33不同的多径信道对 DSTBC-OFDM系统性能的影响图4给出了 DSTBC-OFDM系统在不同的多径信道环境下的性能比较,多径信道的径数分别为2径,3径和6径。从图中可以看出,随着信道多径数SNR(dB)的增多,系统的误码率明显降低,提高了系统的性图2三个差分系统的性能比较能。在10≤BER≤10的情况下,由于多径分集增益,通过6径信道的系统性能比通过3径信道的系统性能好大约1dB,比2径信道的要好4dB左multip athe右4结论辅排排理排本文主要对基于正交的差分空时分组码的编厘m里电里电里译码原理进行了详细的介绍,并将其应用在OFDM系统中,并对所得系统在M1225信道下的性能进行了仿真比较。仿真结果表明,子载波数越搏想想多,该系统的性能越好,同时该系统可以在不同的多径信道下,可获得多径增益。本文还比较了单天线OFDM系统,多天线系统和多天线OFDM系统101214161820三种不同的采用差分调制系统的性能,其中采用NR(dB)两发一收的差分空时分组码的OFDM系统性能最好,说明MMO与OFDM两者的结合更加适用于图4不同的多径信道对 DSTBC-OFDM系统系统性能的影响多径无线环境。参考文献[11 Yang H. A road to future broadband wireless access: MIMO-OFDM-based air interface. IEEE Commun Mag, 2005, 43(1): 53-60[2] Dubuc C, Starks D, Creasy t, et al. A MIMO-OFDM prototype for next-generation wireless WANs. IEEE Commun Mag, 2004, 42(12:82-87[3] Tarokh V, Jafarkhani H. a differential detection scheme for transmit diversity. Selected Areas in Communications, IEEE Journal on,2000,18(7):1169-174[4] ITU Recommendation ITU-R M. 1225-Guidelines for Evaluation of Radio Transmission Technologies for IMT-2000( Question 1-TU-R39/8(收稿日期:2008年5月5日)Performance Analysis of OFDM System Based on Differential Space-time Block CodingChen JingCollege of Telecommunications Information Engineering, Nanjing University of Posts Telecommunications, Nanjing 210003, China)Abstract In this paper, the principle of coding and decoding for differential space-time block coding(DSTBC)is introduced and theperformance of DSTBC technology combined with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has been researched. Thesimulation results demonstrate that the performance of the system will be improved as the number of subeincrease. Moreover, by simulation it is showed that the performance of the system will be enhanced by the combination ofalti-antenna and OFDM technology. Therefore, it is well tailor for the multi-paths wireless channel. In addition, when usingdifferential coding technology, channel estimation is not necessary in the receiver, which can reduce the complexity of the receiverKey words MIMO, OFDM, DSTBC, multi-path, subcarrier