正交空時分組編碼系統的信號檢測技術

鄒盛唐， 胡 飛， 周治中

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

隨著多媒體高速率業務需求的增長，未來無線通信系統需要更高的數據傳輸速率和更大的系統容量。然而，無線信道中存在多普勒效應和多徑傳輸效應使得在時變多徑信道環境下實現高頻譜效率無線通信變得困難。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內轉變為平坦衰落信道，從而減少了信道多徑衰落的影響。OFDM技術在移動通信中得到廣泛應用。

多天線（MIMO）技術是指在無線通信系統的發射和接收端都采用多個通道的新型無線通信技術，美國貝爾實驗室的研究表明 MIMO技術可以充分利用無線信道的多徑傳播來提高無線通信系統的容量或可靠度[1-3]。隨著MIMO系統信息理論基礎的建立，MIMO技術成為國內外眾多學者的一個重要研究主題，其中MIMO信號檢測技術是其中的一個重要課題。

OSTBC作為一種重要的MIMO信號設計方法最先出現在文獻[4]中，在平坦慢衰落信道條件下，Alamouti利用空時分組編碼矩陣的正交特性，提出了復雜度低的基于最大似然（ML）準則的信號檢測算法。隨后，文獻[5-6]針對發射天線數目等于2、3、4提出了1/2和1的空時編碼方法。上述空時編碼要求信道具有“準靜態”特性，也就是說：在發射天線數目等于2時，在2個符號間隔時間內信道增益基本相同；而當發射天線數目對于4時，對應不同的空時編碼碼率，要求在4個或者8個符號間隔時間內信道增益基本相同。在這種情況下上述空時分組碼都可以采用低復雜度的線性 ML譯碼器進行 MIMO信號檢測。但在快衰落信道環境下，無線信道將不再具有“準靜態”特性，OSTBC系統的編碼矩陣正交性受到了信道快衰落特性的破壞，也就是說：多個發射信號在經過快衰落信道時，在相同時刻不再保持正交，導致多個信號之間彼此干擾，如果仍然采用線性 ML譯碼算法，那么各個發射信號之間將彼此干擾，從而導致系統性能出現較大的“錯誤平層”。

針對平坦快衰落信道環境，文獻[7]提出了發射天線數目等于2的OSTBC系統的判決反饋信號檢測技術，通過采用自適應濾波算法來跟蹤信道時變特性；文獻[8-9]則研究了發射天線數目等于4的OSTBC系統的信號檢測方法，分別提出了迫零（ZF）信號檢測技術和并行干擾消除（PIC）技術。貝爾實驗室分層空時（BLAST）的MIMO系統是另外一種重要的多天線信號。通過仔細分析BLAST信號檢測技術，認為：上述快衰落信道下OSTBC系統的信號檢測技術和BLAST系統信號檢測技術具有相同的原理。

在以上文獻的研究基礎上，提出了一種能夠對抗信道時變特性的OSTBC系統信號檢測方法，同時，結合OFDM技術，研究了多徑時變衰落信道下OSTBC-OFDM系統的性能。目前，在多徑時變衰落信道環境下，研究OSTBC系統信號檢測的國內外研究成果還不多。通過仿真分析表明：提出的信號檢測算法性能優于已有算法。

1 系統模型

假設M個發送N個接收天線的OSTBC-OFDM系統，OSTBC編碼如文獻[4-5]所述，其編碼方式基于 OFDM子載波、在相鄰OFDM符號之間進行。信道采用短波Watterson信道模型來模擬，信道呈現為時變Rayleigh塊衰落特性。也就是說：在一個OFDM符號間隔時間內，信道基本保持不變，但在不同OFDM符號之間發生改變，信道增益服從Rayleigh分布。

假設系統具有理想同步。接收機首先進行 OFDM解調，然后對每個 OFDM符號去掉保護間隔（CP）。在任意時刻某個子載波上（為了表述方便，省略了子載波序號），第i個接收天線接收到的信號可以表示為：

其中 Hi= [ H1i, … ,HMi]， Hji表示從第j個發送天線到第i個接收天線的衰落參數，滿足零均值單位方差的復高斯分布；為發送的信息符號，（*）T表示轉置運算；wi是復高斯白噪聲（AWGN），方差 No。

2 信號檢測技術

2.1 Zheng信號檢測器

文獻[7-8]提出的信號檢測技術可以用來完成發射天線數 4M= 的 OSTBC-OFDM系統的信號檢測。為簡化信號符號表示，下面只考慮一個接收天線情形，并且忽略 OFDM子載波序號。考慮在同一個子載波上相鄰4個OFDM符號，那么接收信號可以表示為

根據r?值，進行下述判決：

其中λi為判決因子，由X1和X2確定，i= 1 ,2,3,4；Ω為調制星座集合。

2.2 新信號檢測器

可以看出，上述Zheng檢測器的思想是：首先在每個接收天線上對接收信號利用迫零（ZF）算法消除了多個發射天線信號造成的彼此干擾；然后用多天線合并技術提高系統性能。顯然，如果首先利用信號合并技術將多個接收天線上的接收信號信息進行合并處理，然后再采用迫零技術消除多天線發射造成的干擾，簡單地說，就是顛倒Zheng檢測器兩個信號處理步驟的順序。那么，系統將能夠充分利用無線信道的多徑傳輸效應，從而將提高系統性能，仿真結果驗證了這點。下面是算法描述：

①首先計算Gram矩陣為： R = HH?H；

②在系統多天線接收時，進行合并運算： R + =R；

③由R計算出Φ值，計算過程如下所示：

在每個接收天線上，進行干擾消除： S? =Φ?HH?rT，然后進行接收合并處理，+=?? S S。

根據?S值進行判決：

其中λi為判決因子，由X1和X2確定，i= 1 ,2,3,4；Ω為調制星座集合。

3 仿真分析

現對上述兩種信號檢測技術的誤碼性能進行了仿真分析，仿真信道模型為短波Watterson模型；采用64QAM調制信號；發射天線數目等于4，接收天線數目為1或者2；系統符號率為4 800，OFDM子載波間隔為75 Hz，正交周期為13.3 ms；保護間隔為2 ms；OFDM符號時間為15.4 ms；多天線編碼方式沿OFDM符號 進行，MIMO信號采用碼率為1/2[4]和1[5]的正交空時分組碼，其編碼矩陣分別為：

圖1比較了不同接收天線配置下，采用碼率為1的空時分組碼時，上述兩種信號檢測技術對 OSTBC-OFDM系統誤碼性能的影響。從圖中可以看出，在單接收天線時，上述兩種信號檢測方法的系統性能基本相同；但是在2個天線接收、信噪比（SNR）等于20 dB時，提出的信號檢測技術使得系統誤碼性能提高了一個數量級，在誤碼率（BER）為 10-2量級時，信噪比有4 dB增益。

圖1 不同接收天線數目（N）時碼率為1的性能比較

圖2 比較了不同接收天線配置下，采用碼率為1/2的空時分組碼時，上述兩種信號檢測技術對 OSTBC-OFDM系統誤碼性能的影響。從圖中可以看出，無論是在單接收天線模式，還是2個接收天線模式下，提出的信號檢測方法能夠充分利用多徑傳輸效應，與已有算法相比，性能有較大提升：在單接收天線下，誤碼率（BER）為10-2量級時有2 dB左右性能增益；在2個接收天線下，BER為10-3量級時，該算法比已有算法有4.5 dB左右的性能增益。

對比圖1和圖2的仿真結果看出：即便在單接收天線配置下，該算法仍能夠充分利用空時編碼帶來的編碼增益，比已有算法的性能更好。

圖2 不同接收天線數目（N）時碼率為1/2的性能比較

4 結語

分析了可工作在多徑衰落信道環境下的發射天線數目等于4的OSTBC-OFDM系統的信號檢測方法，推導出了一種新的 MIMO信號檢測算法，仿真結果表明：與已有信號檢測算法相比，該算法能夠有效利用無線信道的多徑傳播效應和空時分組編碼的發射分集增益，從而有效提升 OSTBC-OFDM系統的誤碼性能。

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