基于IEEE802.11a無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的STC-OFDM系統(tǒng)性能研究

空時(shí)碼最初的設(shè)計(jì)和已經(jīng)取得的成果都是基于窄帶無(wú)線系統(tǒng)平坦衰落信道，但許多無(wú)線信道在本質(zhì)上都是頻率選擇性衰落的。最近，越來(lái)越多的研究集中于提供高數(shù)據(jù)率業(yè)務(wù)和寬帶無(wú)線信道上的移動(dòng)計(jì)算。在寬帶無(wú)線通信中，符號(hào)周期變得越來(lái)越小（與信道延遲擴(kuò)展相比），因此發(fā)射信號(hào)要經(jīng)歷頻率選擇性衰落，使得空時(shí)編碼技術(shù)可以在寬帶系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)率。但是頻率選擇性信道上的最大似然譯碼非常復(fù)雜，因此需要通過(guò)減少碼間干擾（ISI）來(lái)改善頻率選擇性衰落信道空時(shí)碼性能。
　通過(guò)減少I(mǎi)SI,可以將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率非選擇性信道。減少I(mǎi)SI的傳統(tǒng)方法是在接收機(jī)中使用自適應(yīng)均衡器。最優(yōu)空時(shí)均衡器可以抑制ISI，因此，頻率選擇性衰落信道變成無(wú)符號(hào)間干擾。該方法的主要缺點(diǎn)是接收機(jī)的復(fù)雜度較高，因?yàn)楸仨氃诮邮諜C(jī)使用多入多出均衡器(MIMO-EQ)[1]。本文提出使用OFDM技術(shù)，在OFDM中，將整個(gè)信道分成許多窄的并行子信道，因此增加了符號(hào)周期，并且減少或消除了多徑環(huán)境引起的ISI。由于OFDM系統(tǒng)中不需要MIMO-EQ，因此該方法相對(duì)來(lái)說(shuō)具有一定的優(yōu)越性。OFDM技術(shù)與不同的編碼結(jié)合所表現(xiàn)的性能改善是不相同的,文中提出對(duì)STBC-OFDM與VBLAST-OFDM結(jié)合技術(shù)的比較分析,通過(guò)仿真驗(yàn)證了STBC-OFDM系統(tǒng)的優(yōu)越性。在此基礎(chǔ)上研究了OFDM技術(shù)的相關(guān)參數(shù)以及交織器對(duì)STBC-OFDM系統(tǒng)性能的影響，說(shuō)明了在使用估計(jì)法時(shí)盡可能使用大系統(tǒng)，系統(tǒng)的信道估計(jì)會(huì)更加準(zhǔn)確，并且隨機(jī)交織器有助于顯著改善多徑衰落信道下系統(tǒng)性能并能在各種信道上達(dá)到合理的魯棒性。
1 IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)模型
　在IEEE802.11a中，OFDM系統(tǒng)使用 GHz頻段，占用20 MHz帶寬,提供速率為6 Mb/s、9 Mb/s、12 Mb/s、18 Mb/s、24 Mb/s、36 Mb/s、48 Mb/s和54 Mb/s的數(shù)據(jù)通信能力。其中對(duì)于6 Mb/s、12 Mb/s、24 Mb/s的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)速率的支持是必備的。系統(tǒng)采用經(jīng)BPSK、QPSK、16-QAM或64-QAM調(diào)制的52個(gè)子載波。前向糾錯(cuò)采用1/2、2/3或3/4的卷積編碼。圖1為IEEE802.11a收發(fā)信機(jī)原理框圖[2-3]。

   本文基于IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,將STC合并到IEEE802.11a系統(tǒng)中,以此來(lái)獲得適合高數(shù)據(jù)率業(yè)務(wù)高速率數(shù)據(jù)包傳輸系統(tǒng)。修改后的模型框圖如圖2所示，在圖中添加了兩個(gè)新的模塊，即圖中陰影線框所示：發(fā)射端的“發(fā)射分集編碼器”、接收端的“分集合并”。發(fā)送端的編碼器將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成空時(shí)編碼的信號(hào)。接收端的分集合并在解多路復(fù)用器中獲得輸出值，并且進(jìn)行空時(shí)編碼。根據(jù)這一修改,能夠在MIMO中充分利用IEEE802.11a系統(tǒng)，獲得適合高吞吐量業(yè)務(wù)應(yīng)用的高速率數(shù)據(jù)包傳輸系統(tǒng)[3]。

    在IEEE802.11a協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)于STC-OFDM系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，對(duì)于有K個(gè)OFDM子載波,發(fā)射天線為Nt、接收天線為Nr的基帶STC-OFDM通信系統(tǒng),系統(tǒng)總的帶寬為W。將總帶寬分成K個(gè)相互重疊的子頻帶。 
    在每一時(shí)刻t對(duì)信息比特分組編碼，產(chǎn)生空時(shí)碼字為:


其中最小化是在所有可能的空時(shí)碼字上進(jìn)行的。


3 仿真結(jié)果及分析
3.1 參數(shù)設(shè)置
　在仿真中，使用IEEE802.11a協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，表1為IEEE802.11a物理層的重要參數(shù)表。

3.2 仿真結(jié)果
3.2.1 不同編碼結(jié)合技術(shù)的性能比較
    對(duì)空時(shí)碼的研究主要有兩個(gè)分支，一個(gè)是BELL實(shí)驗(yàn)室的Foschini等人對(duì)分層空時(shí)碼的研究；另一個(gè)分支是AT&T的Tarokh、Guery等人對(duì)基于發(fā)射分集的空時(shí)碼的研究。本文提出了對(duì)這兩個(gè)分支上典型編碼與OFDM技術(shù)結(jié)合后性能的比較。
    圖3比較了VBLAST-OFDM系統(tǒng)與STBC-OFDM系統(tǒng)的性能，并且對(duì)于不同接收天線的VBLAST-OFDM系統(tǒng)性能進(jìn)行了比較。由仿真結(jié)果可知：采用兩副發(fā)射天線三副接收天線加入空時(shí)編碼的OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能在同樣信噪比的情況下優(yōu)于兩副發(fā)射天線兩副接收天線加入空時(shí)編碼的OFDM系統(tǒng)，同樣采用兩副發(fā)射天線兩副接收天線加入空時(shí)編碼的OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能在同樣信噪比的情況下優(yōu)于一副發(fā)射天線兩副接收天線加入空時(shí)編碼的OFDM系統(tǒng)，由此可見(jiàn)當(dāng)發(fā)射天線數(shù)目不變時(shí)，隨著接收天線數(shù)目的增加，性能越來(lái)越好，獲得了分集增益，提高了帶寬利用率，同時(shí)也可以看到隨著發(fā)射天線的增加也能達(dá)到同樣的效果。當(dāng)接收天線數(shù)目都為2時(shí),可以看到在同一信噪比條件下，STBC-OFDM性能優(yōu)于VBLAST-OFDM系統(tǒng)。性能的不同主要是由于STBC與VBLAST的分集增益不同，根據(jù)前面的理論分析，STBC的分集增益為8，而VBLAST的分集增益只有3。仿真證明了STBC與OFDM技術(shù)的結(jié)合優(yōu)于VBLAST。

3.2.2 FFT點(diǎn)數(shù)和子載波數(shù)對(duì)性能的影響
    圖3的仿真結(jié)果驗(yàn)證了STBC-OFDM系統(tǒng)的性能優(yōu)于VBLAST-OFDM系統(tǒng)的性能。本小節(jié)主要通過(guò)改變OFDM技術(shù)的相關(guān)參數(shù)來(lái)分析STBC-OFDM系統(tǒng)的性能。
    圖4主要驗(yàn)證了在不同的傅里葉變換抽樣點(diǎn)數(shù)目和子載波數(shù)下STBC-OFDM系統(tǒng)的性能。仿真圖顯示了FFT點(diǎn)數(shù)從256增加到512時(shí)系統(tǒng)的性能變化。設(shè)FFT點(diǎn)數(shù)為256，當(dāng)子載波數(shù)從52增加到100時(shí)，系統(tǒng)的性能得到了改善；而當(dāng)子載波數(shù)相同時(shí)，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)的增加同樣也帶來(lái)了系統(tǒng)性能的改善。仿真結(jié)果表明,在使用估計(jì)法時(shí)盡可能使用大系統(tǒng)，系統(tǒng)的信道估計(jì)會(huì)更加準(zhǔn)確。

3.2.3 交織器對(duì)性能的影響
    理論分析表明在空時(shí)編碼器和OFDM調(diào)制器之間使用“交織器”有助于在各種信道上達(dá)到合理的魯棒性能。
    圖5比較了發(fā)射機(jī)中有交織機(jī)和沒(méi)有交織機(jī)的STBC-OFDM系統(tǒng)在多徑等增益衰落信道上的性能。仿真表明：同樣使用兩發(fā)射天線與兩接收天線，在沒(méi)有采用交織的情況下，當(dāng)BER等于10-2時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率性能與使用交織相比要差4.2 dB。從仿真結(jié)果可以看出：隨機(jī)交織器有助于顯著改善碼的性能。仿真結(jié)果與理論分析相符，更證實(shí)了理論分析的正確性。

    本文針對(duì)空時(shí)碼在頻率選擇性衰落信道下的最大似然譯碼非常復(fù)雜這一問(wèn)題提出了使用OFDM技術(shù)減少碼間干擾（ISI），進(jìn)而改善頻率選擇性衰落信道下空時(shí)碼性能的合理方案。通過(guò)在IEEE802.11a無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)STC與OFDM技術(shù)相結(jié)合后的STC-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析與仿真驗(yàn)證，說(shuō)明對(duì)于MIMO頻率選擇性衰落信道而言，空時(shí)碼與寬帶OFDM的結(jié)合可以削弱多徑衰落的影響，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)率非常高的魯棒傳輸，仿真結(jié)果證實(shí)了這個(gè)方案的優(yōu)越性，并且為深入研究STC技術(shù)與MIMO-OFDM系統(tǒng)的結(jié)合提供了理論基礎(chǔ)和應(yīng)用方案。
參考文獻(xiàn)
[1]     AGRAWAL D, TAROKH V, NAGUIB A, et al. Spacetime coded OFDM for high data rate wireless communication over wide-band channels，in Proc.IEEE VTC’98, Ottawa, Canada, 1998,5:2232-2236.
[2]     IEEE Std. ISO/IEC 8802-11/And 1. Copyright 1999, IEEE. All rights reserved.
[3]     JANKIRAMAN M. Space-time codes and MIMO systems，Boston, London, 2004:237-272.
[4]     HORI S, MIZOGUCHI M, SAKATA T, et al. A new branch metric generation method for soft-decision Viterbi decoding in coded OFDM-SDM systems employing MLD over frequency selective MIMO channels[J]. IEICE Transactions on Fundamentals, 2002, E85-A(7):1675-1684.
[5]     ZELST A V, SCHENK T C W. Implementation of a MIMO-OFDM based wireless LAN system[J]. IEEE Transactions on Signal Process, 2004,52(2):483-494.
[6]     Hou X, Xu Y, ZHENG B, et al. A time-domain approach for channel estimation in MIMO-OFDM-based wireless networks[J]. IEICE Transactions on Communication, 2005, E8-B (1):3-9.
[7]     OGAWA Y, NISHIO Y, NISHIMURA T, et al. Channel  estimation and signal detection for space division multiplexing in a MIMO-OFDM system[J].IEICE Transactions on Communication,2005,E8-B (1):10-18.
[8]     MANTON J H. Optimal training sequences and pilottones for OFDM systems [J].IEEE Transactions on Communications Letters, 2001,5 (4):151-153.
[9]     MINN H, Al-Dhahir N. Optimal training signals for MIMO OFDM channel estimation [J].IEEE Transactions on Wireless Communications, 2006,5 (5):1158-1168.
[10] BARHMI I, LEUS G, MOONEN M. Optimal training design for MIMO-OFDM systems in mobile wireless channels [J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2003, 5(6):1615-1624.
[11]    UYSAL M, N AI-Dhahir, GEORGHIADES C N. A space-time block-coded OFDM scheme for unknown frequency Selective Fading Channels.IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications, San Diego, Canada, 2001,2:93-97.