结合STBC的V—BLAST多天线超宽带OFDM系统性能研究

谢丹　朱锦

摘要：在对多带（MB）OFDM UWB通信系统进行研究的基础上，结合空时分组码（STBC）和空时分层码（V-BLAST）两者的特点，该文分析了混合型编码的多输入多输出（MIMO）MB OFDM超宽带通信系统，并详细介绍了系统模型和编译码原理，对系统性能进行了仿真。仿真结果表明，在改进的S-V多径信道环境下，两者结合的多天线MB OFDM系统不仅具有更高的分集增益和传输效率，而且误码性能有所提高。

关键词：MB OFDM；信道容量；STBC；V-BLAST

中图分类号：TN914 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）09-2251-02

1 概述

近些年来，超宽带（UWB）无线通信技术以其速率极高、价格较低等特性开始进入公众视野，受到广泛关注，已成为新兴技术研究热点的代表之一[1]。美国联邦通信委员会（FCC）将3.1GHz～10.6GHz共7500MHz的频谱分配给超宽带使用。单载波UWB （Direct Sequence-UWB）和多频带UWB（MB OFDM UWB）是超宽带UWB技术物理层的两种技术方案，其中多频带UWB是利用现有成熟的跳频技术与OFDM相结合，性能优异，最有希望成为超宽带技术的最终标准。

MB OFDM方案是一种先进的多载波调制方法，整个系统设计单个收发天线，利用OFDM技术传输每个子带的信息。研究表明，多输入多输出MIMO（multiple input multiple output）技术通过使用多个收发天线可以提高通信系统的容量和频谱利用率[2]。该文将MB OFDM和MIMO技术结合起来，利用空时编码（STBC）和V-BLAST编码技术，通过仿真结果证明了基于多天线的超宽带OFDM系统能改善系统性能，获得更高的系统容量。

2 MB-OFDM UWB系统

FCC将超宽带MB OFDM系统的7500MHz频段划分为分为14个子频带，每个子频段带宽为528MHz。其中中心频率与子频带的关系如下式：[2904+528×nb，nb=1...14MHz]。每个子频带使用128个子载波，要传输的数据经过OFDM调制后进行传输，其中只有100个子载波用于传输数据，其他子载波用于相位跟踪和用户自定义[3]。

MB OFDM方案设计每个符号长度为312.5ns，符号长度中包括9.5 ns的保护间隔和60.6 ns的循环前缀，系统的调制方式采用时频交织（TFI）和QPSK，编码速率可以根据需要变化，不同的编码速率和扩频因子决定了系统不同的信息速率，信息速率可以从55 Mbps 到480 Mbps。图1所示的是超宽带MB OFDM的系统结构图。

3 多天线MB-OFDM UWB系统

3.1 STBC编码方案

3.2 STBC与V-BLAST相结合的编码方案

V-BLAST的原理为：通过采用多根发射接收天线实现数据流的多路并行传输。信息源数据经串/并转分成M个并行数据子流，分别送入M个信道编码器进行分组编码或卷积编码，然后通过相同的调制器进行信号映射，最后对输出的M路调制信号构造成垂直结构（Vertical BLAST）并由M个天线发射。在接收端，采用迫零和符号抵消相结合的算法对空时信号检测，译码，得到最后的判决数据[6]。

本文以四发四收为例，每两根天线分为一组，在组内采用Alamouti空时编码，在接收端采用ZF或MMSE准则的V-BLAST算法。具体译码步骤如下：

4 仿真结果

在多天线超宽带MB OFDM仿真系统中，系统子载波用QPSK调制方式，每个子频带的载波数目为128。采用STBC和V-BLAST结合编码，在四发四收模式和改进的S-V多径信道cm3环境下，仿真结果如图2所示。从图中可以看出：与普通的超宽带MB OFDM系统相比，多天线超宽带MB OFDM系统性能有显著提高，而且，结合STBC的V-BLAST系统性能明显优于传统的V-BLAST。

5 结论

本文采用了MIMO-OFDM系统中经典的空时分组码和空时分层码方案，结合两者的特点，将这种混合型的编码方案应用多天线超宽带系统中，并给出了系统传输误码率的仿真曲线。仿真结果表明， 采用两者结合的编码方案，在降低误码率的同时，提高了传输效率，有效改善移动通信系统的性能。

参考文献：

[1] Porcino D，Hirt W.Ultra-wideband radio technology：potential and challenges adead[J].IEEE Communications Magazine，2003，41（7）：66-74.

[2] 金一剑，葛利嘉，叶凌峡.MIMO-MB-OFDM 超宽带通信系统的研究[J].计算机技术与发展，2007（12）.

[3] FCC First report and order， revision of the Part 15 commission's rules regarding Ultra Wideband Transmission Systems， ET-Docket 98-153， April 22， 2002.

[4] 谢丹，杨守义.基于STBC的MB-OFDM系统性能研究[J].通信技术，2009（12）.

[5] Branka Vucetic， Jinhong Yuan. 空时编码技术[M].王晓海，等，译.北京：机械工业出版社，2004.

[6] 兰洋，程时昕.结合STBC的一种分层空时编码结构模型[J].电路与系统学报，2004（1）.