MIMO-OFDM系统中的空时频编码技术

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文章编号：４０６５ 【０６０一 ３一６ ０９一７６２０ ）５１ ７０ ０
ＭＩ 一 Ｆ Ｍ 系统中的空时频编码技术 ＭＯ Ｏ Ｄ
付卫红‘ 杨小牛“曾兴雯１刘乃安１ ， ， ，
（． １西安电子科技大学 Ｉ 国家重点实验室， Ｎ Ｓ 西安７０７ ；． １０ ２通信系统控制技术国家重点实验室， ３４０ １ 嘉兴 １０１ ）
空间、 间 频 三维 上的 益， 们提出了 频编 ＳＦ） ８ 时 和 率 方向 增 人 空时 码（ＴＣ［ 技术． ， ｖ ］ 所谓空时频编 即 码， 是在
空间、 时间和频率三维方向上同时进行编码的技术． 我们对两种空时频编码技术， 即循环延迟 Ｓ Ｆ和正 Ｔ 交预编码 Ｓ Ｆ的编解码算法进行研究， Ｔ 在此基础上提出采用多天线接收技术， 给出了多天线接收算法， 并
２０ 年 １ ０６ ０月 第４ 卷第 ５ ３ 期
四川大学学报（ 然科学版） 自
Ｊ ｒａｏ ｓ ｈａ Ｕ ｉ ｒｔ Ｎ ｕ Ｓｉ ｃ Ｅ ｉ ｎ ｎ ｏｎ ｌ ｉ ｕ ｎ ｅ ｉ ａ 诫 ｃ ｅｅ ｄ ｉ ） ｆ ｃｎ ｖｓ ｙ（ ｔ ｎ ｔ ｏ
Ｏｃ ．２ ０ ｔ ０６
Ｖ６． ３Ｎｏ ５ １４ ．
循环延迟， 也可以等效为对信道频率响应矩阵 Ｈ 的类似操作． 假设第 １ 个接收天线上的数据经过Ｏ Ｄ Ｆ Ｍ解调后的数据向量为尺 ， ， 接收天线 １ 与各发射天线之间的
信道频率响应矩阵为 Ｈ ， 尺（＝ ，， Ｎ Ｎ） 尺 分别表示Ｒ 和从 中第Ｎ ・ 一 ） １ ｉ 并用 ｊ １２…， 二／ 和 、 ｘ ｊ Ｔ （ １＋ 口 Ｎ ｊ 二・个子载波的 数据， 昆凡 而 表示由Ｎ ・ 一 ） １ Ｎ ｊ ｘ ｊ Ｔ （ １＋ 口 二・个子载波数据组成的空频码字．
（） 声１ ， 后 过循环 二， 一（ 之 将通 ： 动丁 延迟空频编 码器后得到的 各路信号分 别在４ 个发射天线上同时 发射出
去．
图 嵘 ， ＝ ，３ 象。 ＝ ，３ 别 示 域 时 循 延迟 这 第 路 号 二 １ ， 和占 ，。 １ ， 分 表 频 和 域的 环 量（ 里 一 信 不 中， 。 （ ２） （ ２ ） 进 行延迟） 取聪Ｃ＝ ， 对丹 ， 选取 则可 ， 一般 ， ｎ而 乱。 ， 之 的 原 参见文〔 ． ］ ６ 信号经过 循环延迟空频编 后， 码器 得到
空时频编码的 解码， 可以一次取出两个 Ｏ Ｄ Ｆ Ｍ数据， 同时进行解码． 同时利用时频分组码字相连两个符
号 输 码 之 的 系 设尺， ‘ 示 收 的 后 个ＯＤ 号， ｊ ＝ 一气・ １２ 传 的 字 间 关 ， 尺 表 接 到 前 两 ＦＭ符 而Ｓ 〔 ： （ ）， ’ ，十 一 Ｎ （ 卜， ｓ ・ １１ 权・‘ ， 〕则 。， 一‘ ，舟 一Ｔ 有 一 ，、 ，
循环延迟空频编码 ＿
图 １ 循环延迟分集的空时频编码 Ｏ Ｄ 系统 ＦＭ ＦｇＩ Ｓ Ｆｃ ｎ （ Ｄ ｓ ｔ ｏ ｃｃｃ ｅ ｄ ｅ ｉ ｉ ． Ｔ 司ｉ ） Ｍ 邓 ｅ ｆ ｙｌ ｄｌ ｉ ｔ ｇ Ｆ ｍ ｉ 叮 ｖ ｙ ｓ ｒ
的码字矩阵为
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万
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式中， Ｔ＝ 表示发射天线数． 不同的 ＮＸ ４ 其中 子载波， 各行表示各个天线上发射的 而 码字， 因 列表示不同的
对两种． ＦＯ Ｄ Ｓ ￣Ｆ Ｍ系统性能进行了仿真和比 Ｔ 较．
２ 基于循环延迟分集的空时频编码技术
该ＳＦ Ｔ 编码技术是在 循环延 迟分集 空频编 ＳＣ［的 码（ ） 基础上提出的． ＦＭ系统中， Ｆ ６ ］ 在。 Ｄ 循环延迟
分集是一种能够显著提高系统误码性能和信干比的有效手段， 其实现简单， 只需对发射端的各路 ０ Ｍ 即 信号相对于其中某一路信号做长度不同的循环延迟即可． 将文「 中提出的空频编码技术与普通的空时分组编码技术相结合， ］ ６ 就形成了一种新的空时频编码策
ａ ｈ
夕＝ｍ 又 ｛ 尸Ｃ 夕Ｊ ＋｝ 一 Ｄ 夕 １ ｎ ｉ ｛ 足一 Ｄ ］ ｝ ２ 侧’ 尸Ｃ
了 蔺 一 ￡ 沉 一 、 二
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３ 基于正交预编码的空时频编码
所谓基于正交预编码的空时频编码， 即是先对原始输人数据在频率域进行正交预编码， 然后对正交预 编码后的码字进行空时分组编码， 最终得到的码字就是经过空、 频三维方向编码后的码字． 时、 该空时频
这里 ｍ ＝
Ｎ少 １由式 ，即 ： 嘿二的即 恢的 发 二 １・ （可满 ｎ｝ １，为 复 始 信 （卜 贝２ 知足警。 ２ 要 原 射 一 。） 一
号、・ １１％・ １２ ％・ 由 在 环 迟 频 码 前 行 时 分 编 ，此 里 ５ （ ）， （） ， ｊ ＋ ５ ， 十一５ ｊ 于 循 延 空 编 之 进 了 频 组 码 因 这 对 一 一 ．
编码 ＭＩ 一Ｆ Ｍ 系统框图如图 ２ ＭＯＯ Ｄ 所示．
空时 分组 编码
ＦＴ 循环前缀 ＩＦ十 ＩＦ＋ Ｆ 循环前缀 ｒ
图２ 正交预编码 Ｓ ＦＯ Ｄ 系统框图 Ｔ ‘Ｆ Ｍ 外 ｅ Ｆ ． Ｂａ ｄ ｇｉ ｏ ｔ ｏ ｈ ｏａｐ 司ｉ Ｓ ＦＯ Ｄ ｓ ｔ ｉ Ｚ ｌ ｉ ｒ ｌ ｈ ｒ ｏ ｌｌｒ ｎ Ｙ ‘Ｆ Ｍ ｇ ｋ ａ是 ｆ ｅ ｇ ｌ ｅ ｇ ｎ ｔ ｃ ｍ
此要进行循环延迟编码， 必须满足天线数小于子载波数， Ｎ 即 二成Ｎ． 一般要求 Ｎ是Ｎ 二的整数倍， 以每
Ｎ 个子载波为一组， ｘ Ｔ 分别进行循环延迟， 然后将 ｍ＝ ／ 狱组循环延迟后得到的矩阵 ｓ ＝「ｓｌ Ｎ Ｎ ｃ Ｆ ｓ ｓ ， ｃ Ｆ ５ ， ｓ 。中 洲 …，ｓ 」 各行数据分别进行Ｏ Ｄ ｃ Ｆ Ｆ Ｍ调制， 之后在时域进行一次循环移位， 最后给每一路增加循
０ ５１ 一０ 收稿 日期 ２ ０ 一２３
基 金项 目
通信抗干扰国家级重点实验室基金项目
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第４ 卷 ３
略． 在该策略中， Ｆ Ｍ帧间相同子载波上的符号进行空时分组编码， 对Ｏ Ｄ 实现空时分集， 然后对Ｏ Ｍ帧 Ｄ Ｆ
内各子载波上的符号使用循环延迟引人频率分集， 实现空频编码． ２ １ 循环延迟分集空时频编码的编码原理 ． 我们以４ 个发射天线为例， 则基于循环延迟分集的空时频编码 Ｏ Ｄ 系统的原理框图如图 １ ＦＭ 所示．
环前缀， 并通过各个天线同时发射出去． 这里 Ｓ 、 ｃ Ｆ ｓ 表示第１ 次循环延迟得到的形如式（ 的码字矩阵． ） １
２２ 循环延迟分集空时频编码的解码算法 ．
在接收端采用多个接收天线， 首先对各接收天线 １１ １２…， ｘ） （＝ ，， ＮＲ 接收到的信号进行 Ｏ Ｄ Ｆ Ｍ的解 调， 即去循环前缀并进行 Ｆ Ｉ Ｆ， 变换． 然后进行空时频编码的解码， 对此可见文「」 ６中对循环延迟空频编码 的解码思想． 由文「」 ６可知， 信号在时域的循环延迟可以等效到Ｏ Ｄ Ｆ Ｍ之前， 并且对信号在时域和频域的
向 进 即 时 码〔３ 空 编 ４ 〕文〔， 中 别 空时 型 和 时 组 编 原 性 上 行， 空 编 ‘〕 频 码［６ １ 〕 分 对 格 码 空 分 码的 码 理和 一或 一． ２
能进行了分析和研究， 而文【 对 ＭＩ ＯＯ Ｄ ］ ３ Ｍ ￣Ｆ Ｍ系统中的空时编码进行了改进． ４ 」 Ｏ Ｄ 文【一６则对 Ｆ Ｍ系 统中的空频编码技术进行了研究． 这两种编码技术一般只能获得两维方向上的增益， 为了更加充分利用
１ 引言
ＭＩ ＭＯ系统可在不增加系统带宽的情况下改善系统性能， 提高数据速率． 它在一定程度上可以抗多 径衰落， 但对频率选择性衰落依然无能为力． 前对数据速率的要求越来越高， 目 在数据通过多径信道传输 时容易引起符号间干扰， 即发生频率选择性衰落． 要解决 ＭＩ ＭＯ系统中的频率选择性衰落问题， 可引人 正交频分复用（Ｆ Ｍ） Ｏ Ｄ 技术． ＭＩ 将 ＭＯ与 Ｏ Ｄ Ｆ Ｍ技术相结合， 可以充分利用二者的优势， 而又互相弥补 不足． 一方面， ＭＯＯ Ｍ系统不仅有很高的频谱利用率， ＭＩ 阳 而且在 Ｏ Ｄ Ｆ Ｍ基础上合理地开发了空间资
摘要： 为进一步改善 Ｏ Ｄ 系统性能， ＦＭ 在研究循环延迟空时频（Ｔ ） Ｓ Ｆ 编码和正交预编码 Ｓ Ｆ Ｔ 编码技术的基础上， 在这两种 Ｓ ＦＯ Ｄ 系统中采用多个天线接收信号， 提出 Ｔ －Ｆ Ｍ 给出了基于算 术平均和最大似然准则的多天线接收解码算法． 对两种 系统性能进行 了仿真和比较 ， 结果表 明， 采用文中提出的多个天线接收方式， Ｓ ＦＯ Ｄ 系统性能都有改善， 两种 Ｔ ，Ｆ Ｍ 循环延迟和正交
首 先假设输人数据经过编码调制（ Ｐ Ｓ 以Ｑ Ｋ为例） 第 ｎ 后， 时刻输人数据为Ｓ ｎ ＝〔 （ ， （ ， （） ： ｎ ： ｎ １） ：） …， （ Ｔ这里 Ｎ表示子载波数， ：ｎ ， Ｎ） 则经过时 频分组编码（ 对信号在时域和频域进行分组编码） 即 器后出 来的 据为：１ ） ［ （）： ｎ ， ：一（ ）：（）Ｔ５（ ＋ ） ［ ‘（ ）、 （ ）…， ： 数 ５（ ＝ ： ｎ ， （）…， １ ， ｎ 」；１ｎ １＝ 一 ｎ ， ｎ ， 一 寿 ｎ １ ２ Ｎ ｎ Ｎ 犷