正交空时分组编码系统的信号检测技术

邹盛唐， 胡 飞， 周治中

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

随着多媒体高速率业务需求的增长，未来无线通信系统需要更高的数据传输速率和更大的系统容量。然而，无线信道中存在多普勒效应和多径传输效应使得在时变多径信道环境下实现高频谱效率无线通信变得困难。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转变为平坦衰落信道，从而减少了信道多径衰落的影响。OFDM技术在移动通信中得到广泛应用。

多天线（MIMO）技术是指在无线通信系统的发射和接收端都采用多个通道的新型无线通信技术，美国贝尔实验室的研究表明 MIMO技术可以充分利用无线信道的多径传播来提高无线通信系统的容量或可靠度[1-3]。随着MIMO系统信息理论基础的建立，MIMO技术成为国内外众多学者的一个重要研究主题，其中MIMO信号检测技术是其中的一个重要课题。

OSTBC作为一种重要的MIMO信号设计方法最先出现在文献[4]中，在平坦慢衰落信道条件下，Alamouti利用空时分组编码矩阵的正交特性，提出了复杂度低的基于最大似然（ML）准则的信号检测算法。随后，文献[5-6]针对发射天线数目等于2、3、4提出了1/2和1的空时编码方法。上述空时编码要求信道具有“准静态”特性，也就是说：在发射天线数目等于2时，在2个符号间隔时间内信道增益基本相同；而当发射天线数目对于4时，对应不同的空时编码码率，要求在4个或者8个符号间隔时间内信道增益基本相同。在这种情况下上述空时分组码都可以采用低复杂度的线性 ML译码器进行 MIMO信号检测。但在快衰落信道环境下，无线信道将不再具有“准静态”特性，OSTBC系统的编码矩阵正交性受到了信道快衰落特性的破坏，也就是说：多个发射信号在经过快衰落信道时，在相同时刻不再保持正交，导致多个信号之间彼此干扰，如果仍然采用线性 ML译码算法，那么各个发射信号之间将彼此干扰，从而导致系统性能出现较大的“错误平层”。

针对平坦快衰落信道环境，文献[7]提出了发射天线数目等于2的OSTBC系统的判决反馈信号检测技术，通过采用自适应滤波算法来跟踪信道时变特性；文献[8-9]则研究了发射天线数目等于4的OSTBC系统的信号检测方法，分别提出了迫零（ZF）信号检测技术和并行干扰消除（PIC）技术。贝尔实验室分层空时（BLAST）的MIMO系统是另外一种重要的多天线信号。通过仔细分析BLAST信号检测技术，认为：上述快衰落信道下OSTBC系统的信号检测技术和BLAST系统信号检测技术具有相同的原理。

在以上文献的研究基础上，提出了一种能够对抗信道时变特性的OSTBC系统信号检测方法，同时，结合OFDM技术，研究了多径时变衰落信道下OSTBC-OFDM系统的性能。目前，在多径时变衰落信道环境下，研究OSTBC系统信号检测的国内外研究成果还不多。通过仿真分析表明：提出的信号检测算法性能优于已有算法。

1 系统模型

假设M个发送N个接收天线的OSTBC-OFDM系统，OSTBC编码如文献[4-5]所述，其编码方式基于 OFDM子载波、在相邻OFDM符号之间进行。信道采用短波Watterson信道模型来模拟，信道呈现为时变Rayleigh块衰落特性。也就是说：在一个OFDM符号间隔时间内，信道基本保持不变，但在不同OFDM符号之间发生改变，信道增益服从Rayleigh分布。

假设系统具有理想同步。接收机首先进行 OFDM解调，然后对每个 OFDM符号去掉保护间隔（CP）。在任意时刻某个子载波上（为了表述方便，省略了子载波序号），第i个接收天线接收到的信号可以表示为：

其中 Hi= [ H1i, … ,HMi]， Hji表示从第j个发送天线到第i个接收天线的衰落参数，满足零均值单位方差的复高斯分布；为发送的信息符号，（*）T表示转置运算；wi是复高斯白噪声（AWGN），方差 No。

2 信号检测技术

2.1 Zheng信号检测器

文献[7-8]提出的信号检测技术可以用来完成发射天线数 4M= 的 OSTBC-OFDM系统的信号检测。为简化信号符号表示，下面只考虑一个接收天线情形，并且忽略 OFDM子载波序号。考虑在同一个子载波上相邻4个OFDM符号，那么接收信号可以表示为

根据r˜值，进行下述判决：

其中λi为判决因子，由X1和X2确定，i= 1 ,2,3,4；Ω为调制星座集合。

2.2 新信号检测器

可以看出，上述Zheng检测器的思想是：首先在每个接收天线上对接收信号利用迫零（ZF）算法消除了多个发射天线信号造成的彼此干扰；然后用多天线合并技术提高系统性能。显然，如果首先利用信号合并技术将多个接收天线上的接收信号信息进行合并处理，然后再采用迫零技术消除多天线发射造成的干扰，简单地说，就是颠倒Zheng检测器两个信号处理步骤的顺序。那么，系统将能够充分利用无线信道的多径传输效应，从而将提高系统性能，仿真结果验证了这点。下面是算法描述：

①首先计算Gram矩阵为： R = HH⋅H；

②在系统多天线接收时，进行合并运算： R + =R；

③由R计算出Φ值，计算过程如下所示：

在每个接收天线上，进行干扰消除： S˜ =Φ⋅HH⋅rT，然后进行接收合并处理，+=˜˜ S S。

根据˜S值进行判决：

其中λi为判决因子，由X1和X2确定，i= 1 ,2,3,4；Ω为调制星座集合。

3 仿真分析

现对上述两种信号检测技术的误码性能进行了仿真分析，仿真信道模型为短波Watterson模型；采用64QAM调制信号；发射天线数目等于4，接收天线数目为1或者2；系统符号率为4 800，OFDM子载波间隔为75 Hz，正交周期为13.3 ms；保护间隔为2 ms；OFDM符号时间为15.4 ms；多天线编码方式沿OFDM符号 进行，MIMO信号采用码率为1/2[4]和1[5]的正交空时分组码，其编码矩阵分别为：

图1比较了不同接收天线配置下，采用码率为1的空时分组码时，上述两种信号检测技术对 OSTBC-OFDM系统误码性能的影响。从图中可以看出，在单接收天线时，上述两种信号检测方法的系统性能基本相同；但是在2个天线接收、信噪比（SNR）等于20 dB时，提出的信号检测技术使得系统误码性能提高了一个数量级，在误码率（BER）为 10-2量级时，信噪比有4 dB增益。

图1 不同接收天线数目（N）时码率为1的性能比较

图2 比较了不同接收天线配置下，采用码率为1/2的空时分组码时，上述两种信号检测技术对 OSTBC-OFDM系统误码性能的影响。从图中可以看出，无论是在单接收天线模式，还是2个接收天线模式下，提出的信号检测方法能够充分利用多径传输效应，与已有算法相比，性能有较大提升：在单接收天线下，误码率（BER）为10-2量级时有2 dB左右性能增益；在2个接收天线下，BER为10-3量级时，该算法比已有算法有4.5 dB左右的性能增益。

对比图1和图2的仿真结果看出：即便在单接收天线配置下，该算法仍能够充分利用空时编码带来的编码增益，比已有算法的性能更好。

图2 不同接收天线数目（N）时码率为1/2的性能比较

4 结语

分析了可工作在多径衰落信道环境下的发射天线数目等于4的OSTBC-OFDM系统的信号检测方法，推导出了一种新的 MIMO信号检测算法，仿真结果表明：与已有信号检测算法相比，该算法能够有效利用无线信道的多径传播效应和空时分组编码的发射分集增益，从而有效提升 OSTBC-OFDM系统的误码性能。

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