2004牛1月通信學報Vol, 25第25卷第1JOURNAL OF CHINA INSTITUTE OF COMMUNICATION支持多速率服務的差分空時分組編碼 OFDMA陳鐘麟,朱光喜,蔡瑋(華中科技大學電子與信息L程系,湖北武漢430074)摘要:針對多用戶/多速率環(huán)境提出了非相干傳輸方案,通過采用雙發(fā)射天線,該設計可確保在頻率選擇性衰落信道中實現(xiàn)全碼率、滿分集通信。與已有的差分空時編碼OFDM設計相比,本方案對信號星圖無任何限制,因而可通過幅度和相位同時攜帶信息提高頻譜效率。關鍵詞:空時碼; OFDMA:差分調(diào)制:頻率選擇性衰落中圖分類號:TN93.24文獻標識碼:A文章編號: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引言空時碼(STC, space-time code術與正交頻分多址 OFDMA, orthogonal frequencydivision multiple access)相結(jié)合,將會成為很有前途的多用戶寬帶無線通信技術8。這是因為(1)OFDM采用FFT將多徑產(chǎn)生的頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為多個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時碼技術提高系統(tǒng)的抗衰落性能8(2)運用 OFDMA技術,可以完全消除多用戶干擾MU, multiuser interference)的影響。并且,接收端無需獲得與干擾用戶相關的信道狀態(tài)信息CSI, channel state information)就可實收稿日期:2003-0409;修訂日期:20030725基金項目:國家“863”基金資助項目(2001AA121031)第1期鐘麟等:支持多速率服務的差分空時分組編碼 OFDMA現(xiàn)相干譯碼。因此,在可應用空時碼的多輸入、多輸出環(huán)境中,接收設備的復雜度將大幅下降8在已有的 STC-OFDMA系統(tǒng)中8,通常假定接收端已獲得必要的CS。但在某些條件下,我們希望實現(xiàn)差分接收,這主要出于以下考慮0:第一,無需為獲得CSI進行信道佔計,可減少接收設備的實現(xiàn)復雜度,增加有效的傳輸帶寬;第二,在髙速移動環(huán)境中,信道的快衰落特性使得信道估計變得異常困難。首個差分 STC-OFDM方案由 Diggi等人提出,但它只適用于PSK調(diào)制的情形。作為改進,本文將 OFDMA例和差分 Alamo空時分組碼( DASTBC, differential Alamoutispace-time block code)相結(jié)合,通過采用雙發(fā)射天線,針對無線多徑衰落信道提出了支持多用戶/多速率服務、可實現(xiàn)任意星圖調(diào)制的差分空時分組編碼多址方法。其主要思想是OFDMA確保在FR信道中完全消除MUI的影響;在此基礎上,通過符號分組和差分空時調(diào)制,使得不論接收端是否獲得信道估計,都可保證以滿分集増益和線性復雜度恢復發(fā)送符號。本文規(guī)定:⑧表示矩陣的張量積( Kronecker積)。上標T、*、H分別表示矩陣的轉(zhuǎn)置、復共軛、復共軛轉(zhuǎn)置。Diag(d,d2,…dM)表示MxM的對角方陣,其對角元素由列矢量的元素d1,d2dM決定。0w(1MxN)表示所有元素都是零(1)的MxN矩陣,I表示MxM的單位矩陣。E表示求隨機量的數(shù)學期望。假設a、b為整數(shù),且有agm-lcQ√am()232,Em()Hm)(24a)coherentam,A(n)=[EmA()+Em+gm)yDLn為偶數(shù)(24b)Em, k(n-20m)+Em, k(n-Om+Em(n-gn)+Em(O)yDL.n為奇數(shù)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個元素的值4仿真結(jié)果本節(jié)給出了NR=1和NR=2的仿真結(jié)果。仿真中, OFDMA系統(tǒng)的帶寬為2MHz,子載波數(shù)為256。系統(tǒng)包含2個高速用戶、2個中速用戶、4個低速用戶。每一高速用戶分配64個子載波,每中速用戶分配32個子載波,每一低速用戶分配16個子載波。為在實際環(huán)境中測試系統(tǒng)性能,仿真中采用了GSM推薦標準0505給出的 Rayleigh衰落信道。它由6條路徑構(gòu)成,最大時延擴展為5μs12為簡單起見,我們規(guī)定:對不同的m,,hj(彼此獨立,并且信道的最大 Doppler頻移為20Hz。由于不同速率的用戶具有幾乎完全相同的性能曲線,這里我們只討論中速用戶的仿真結(jié)果圖2顯示了單接收天線的仿真結(jié)果。為說明多天線帶來的好處,圖中同時給出了DASTBC-OFDMA系統(tǒng)、單發(fā)射天線 OFDMA系統(tǒng)的性能曲線例。在單天線 OFDMA系統(tǒng)中我們針對每一子載波使用16DPSK調(diào)制技術,并在接收端采用差分檢測方法。仿真表明,多發(fā)射天線可以大幡提高系統(tǒng)性能。以BER=2×102為例,與基于單發(fā)射天線的 OFDMA系統(tǒng)相比,16 QAM-DASTBC-OFDMA系統(tǒng)的性能增益不小于6dB。另一方面,當BER=2×103,與16 PSK-DASTBC-OFDMA相比,16 QAM-DASTBC-OFDMA的性能提高約為15dB,這表明,在差分空時編碼中引入多幅度、多相位的調(diào)制方法可以獲得更高的頻譜效率。事實上,第1期陳鐘解等:支持多速率服務的差分空時分組編碼 OFDMA由于16QAM調(diào)制的性能優(yōu)于16PSK調(diào)制,利用式(17)給出的譯碼器表達式,容易理解以上仿真結(jié)果。同時,從圖2還可看出,與相干譯碼方法相比,16 QAM- DASTBC-OFDMA的差分檢測可獲得相同的分集增益,但性能下降約為3~4dB當接收天線數(shù)等于2,圖3對不同調(diào)制方式下的 DASTBO- OFDMA系統(tǒng)進行了性能比較。以BER=103為例,16 QAM-DASTBC-OFDMA與16 PSK-DASTBC-OFDMA相比,性能提高約為25dB。通過與圖2比較還可發(fā)現(xiàn),當采用相同的調(diào)制方式時,圖3中的曲線下降更快這是由分集增益隨接收天線數(shù)正比增加而形成的理理!!Sohis H U N315171921232527SWR/dBSNR/dB圖2單接收天線的性能曲線圖3雙接收天線的性能曲線5結(jié)論采用符號分組和 OFDMA,本文針對頻率選擇性信道提出了一個差分空時編碼的多用戶多速率系統(tǒng)。由于該方案對信號星圖無任何限制,因而可通過幅度和相位同時攜帶信息提高系統(tǒng)的頻譜效率。系統(tǒng)設計分為兩層:首先, OFDMA用于完全消除MUI的影響;其次,不論接收端是否獲得信道評估信息,空時編碼可保證以滿分集增益和線性復雜度恢復發(fā)送符號。對本方案稍作修改,我們可以采用線性預編碼方法進一步提高系統(tǒng)性能例。參考文獻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.通信學報[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作者簡介陳鐘麟(1968-),男,湖北武朱光喜(1945-),男,廣西玉漢人,華中科技大學博士生,主要林人,華中科技大學教授、博士生研究方向為空時編碼。導師,主要研究方向為多媒體通信。蔡瑋(1974),女,湖北紅安人,華中科技大學博士生,主要研究方向為OFDM的信號同步