MIMO系统中空时分组编码仿真实现

1、2010年第07期，第43卷 通 信 技 术 Vol.43，No.07,2010总第223期 Communications Technology No.223,TotallyMIMO系统中空时分组编码仿真实现韦堂开， 何海浪（湖南省邵阳学院信息工程学院，湖南 邵阳 422000）【摘 要】空时分组码是一种结合信道编码和分集技术的新型的编码和信号处理方法。它可以不需增加带宽，大幅度的提高无线通信系统的信息容量和传输速率，从而提供远高于传统单天线系统的频带利用率。采用广义平稳非相关散射下的多径时变瑞利信道模型，对多输入多输出（MIMO）系统中空时分组编码进行了仿真研究。仿真结果表明: MIMO系统

2、中正交空时分组编码在误码率性能上优于Alamouti编码。【关键词】多输入多输出；发射分集；空时分组码【中图分类号】TN911.23 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2010)07-0176-02Simulation of Space-Time Block Code in MIMO SystemWEI Tang-kai， HE Hai-lang（Dep. of Information Engineering, Shaoyang University, Hunan Shaoyang 422000, China）【Abstract】Space-time code, in comb

3、ination of channel coding and diversity technique, is a new coding and signal processing method. It could, without increasing the bandwidth, greatly improve the information capacity and transmitting rate in wireless communication system, thus providing much higher spectrum efficiency than the conven

4、tional single antenna system. With time-varying Rayleigh multipath channel model under generalized uncorrelated scattering, the space-time block code in MIMO system is simulated, and the results show that OSTBC is better than Alamouti in BER performance.【Key words】multiple-input multiple-output (MIM

5、O); transmit diversity; space-time block code0 引言随着多媒体移动通信的发展，频谱资源日益紧张。这对未来的移动通信构成了极大的威胁。因而，开发高效的编码、调制和信号处理技术已成为提高无线频谱效率的当务之急。空时码是一种结合信道编码和分集技术的新型的编码和信号处理方法。它可以不需增加带宽，大幅度的提高无线通信系统的信息容量和传输速率，从而提供远高于传统单天线系统的频带利用率1-3m(m=log2M)个信息比特。然后，编码器在每一次编码操作并根据如下给出的编中取两个调制符号x1和x2的一个分组，2。空时分组码以其译码的简单性获得人们的广泛关注，目前已被

6、纳入第三代移动通信（3G）标准，并将成为下一代移动通信中的关键技术。图1 Alamouti空时编码器原理框x2x。 （1） X=1*x2x1编码器的输出在两个连续发射周期里从两根发射天线发射出去。在第一个发射周期中，信号x1和x2同时从天线1*和天线2分别发射。在第二个发射周期中，信号x2从天线*从天线2发射，其中x1是x1的复共轭。 1发射，而x11 Alamouti码的系统结构和译码图1为Alamouti空时编码器的原理框图1。假设采用M进制调制方案。在Alamouti空时编码中，首先调制每一组收稿日期：2009-10-05。作者简介：韦堂开（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向移动

7、通信；何海浪（1979-），男，博士研究生，讲师，主要研究方向为移动通信。很显然，这种方法既在空间域又在时间域进行编码，而且编码矩阵具有如下特性：x12+x22 0H=x12+x2XX=220 x1+x2(2)I2， （2）176式（2）中，I2是一个2×2的单位矩阵。可见Alamouti方案的两根发射天线的发射序列是正交的。在接收端,天线的每个接收信号为2路发送信号与噪声的线性叠加，检测时，可采用解相关接收。通常情况下，由于空时分组码的正交性使得最大似然译码简化为一个线性处理，复杂度大大降低，因此，一般采用最大似然译码。假定在t时刻从第一和第二根发射天线到接收天线的衰落信道系数分别

8、用h1(t)和h2(t)表示，且衰落系数在两个连续符号发射周期之间不变。则在接收端，两个连续符号周期中的接收信号r1和r2可分别表示为3：r1=h1x1+h2x2+n1， （3）*r2=h1x2+h2x1+n2， （4）符号周期数。如果满足p=k=nT，则可实现满分集全速率的正交空时分组编码设计。根据信号星座的不同类型，可将正交空时分组编码分为实信号正交空时分组码和复正交空时分组码。由文献3可知，满分集全速率的实正交空时分组码仅存在于发射天线数为nT=2,4,8的情况下。下面分别给出了发射天线数分别为2，4，8时的传输矩阵：x2x3x4x1xxxxx1x22143, X2=,X4=xxxxxx

9、341221x1x4x3x2x1x2x3x4X8=x5x6x7x8x2x1x4x3x6x5x8x7x3x4x1x2x7x8x5x6x4x3x2x1x8x7x6x5x5x6x7x8x1x2x3x4x6x5x8x7x2x1x4x3x7x8x5x6x3x4x1x2x8x7x6x5， x4x3x2x14-5其中，n1和n2是均值为0，方差为N02的独立复变量，分别表示t时刻和t+T时刻上的加性高斯白噪声。如果能够在接收机端完全知道复信道衰落系数h1和h2，并假定调制星座图中的所有信号都是等概率的，最大似1和x2值，然译码器对所有可能的x从信号调制星座图中选择1,x2）使下面的距离度量最小： 一对信号（

10、x*1+h2x2)+d2(r2,h1x211h2x2+ d2(r1,h1x+h2x)=r1h1x同时，Tarokh等人将正交设计方法推广到了复数域，并证明了Alamouti码是唯一能够同时实现满分集全速率的nT×nT复正交传输矩阵，当天线数大于2时，复正交设计的空时分组码不能够实现全速率传输。但对于任意复信号星座而言，对任意给定天线数都能够实现1/2速率的空时分组码。*21r2+h1xh2x， （5）将式(3)和式(4)代入式(5)中，最大似然译码可以表示为：1,x2)=argmin(h1(x,x)C(x1+h21)(x1+x2)+2221,x1)+d2(x 2,x2)， （6） d

11、2(x1,x2）的所有可能的集合，x 1和x 2式中，C为调制符号对（x3 系统仿真及分析现分析在理想同步的情况下MIMO系统中空时分组编码仿真结果，通过前面的论述，在MATLAB 7.0平台下，建立基于导频信号的广义平稳的多径时变瑞利衰落信道模型。仿真条件是假设每个符号周期内在每根发射天线发射的信号功率均为1，噪声为均值为0，方差为的相互独立的复高斯白噪声随机变量，信道系数的实部和虚部是相互独立且同分布的均值为0，方差为1/2的复高斯随机变量。并假设信道变化很慢，在一个分组周期内，信道系数几乎不变，并且信道状态信息对于接收端是完全已知的。图2为正交空时分组编码与Alamoti码误码率性能比较

12、曲线图，其中横坐标是信噪比，单位为dB，纵坐标是误码率。是通过合并接收信号和信道状态信息构造产生的两个判决统计。统计结果可以表示为：*1=(h1+h2)x1+h1*n1+h2n2x， （7）2=(h1+h2)x2hn+hn， （8） xi(i=1, 2)仅仅是对于给定信道实现h1和h2而言，统计结果x*12*21xi(i=1, 2)的函数。因此，可以将最大似然译码准则式（6）分为对于x1和x2的两个独立译码算法，即:1,x1=argmin(h1+h21)x1+d2(x1)， （9） x1Sx2,x2=argmin(h1+h21)x2+d2(x2)。 （10） x2Sx2222 正交空时分组码的

13、设计通过运用正交设计理论，在Alamouti码的启发下，误码率Tarokh等人提出了空时分组编码方案，空时分组码可以实现并且允许仅仅基于对接发射天线数nT确定的完全发射分集，收信号进行线性处理的最大似然译码算法。空时分组编码是由一个p×nT的发射矩阵X来定义*的，其中X的元素是k个调制符号x1,x2,",xk和x1,x2,",xk4-6的线性组合。正交编码矩阵X应满足：XHX=(x1+x2+"+xk)InT， （11） 其中，XH是X的Hermitian转置，InT是一个nT×nT的单位矩阵，nT为发射天线数，p为发射一个分组数据所需要的222

14、(Eb/No)/dB图2正交空时分组编码与Alamoti码性能比较（下转第180页）177(1k1k)100%。为了直观地反映容量损失的变化趋势，假定两系统相邻保护带宽为5 MHz，MS与BS之间的距离的变化范围为为每个移动台分配的功率为：Pi=R(1)P+NFthWLi。 （8）当共存小区中存在CDMA2000移动台时，根据路径损耗值可以计算出每一个移动台引起的干扰功率，这样存在邻频干扰后的SIRnew用式（9）表示：50500 m，CDMA 2000移动台数分别为10和100。图3为5 MHz保护带宽，CDMA2000移动台数分别为10和100情形下的WCDMA上行链路容量损失仿真结果，从

15、图中可以看到，随着WCDMA基站与CDMA2000移动台之间距离的减小，容量损失程度加剧。同时，随着CDMA2000移动台数量的增加，邻频干扰增大，导致容量损失加大。SIRnew=piLi。 （9）(1)PLi+NFthW+Itotle计算出每一个WCDMA移动台的SIR后，若SIRnew比SIRtarget低5%时， WCDMA基站则不能为移动台提供服务，则认为通信中断。仿真结果表明，下行链路中WCDMA移动台的SIR随着CDMA2000基站与WCDMA移动台之间的距离而变化。当WCDMA移动台与CDMA2000基站距离较近时，其SIR较容量损失/(%)小，也就是说其受到来自CDMA2000

16、基站的干扰增大，容量逐步下降，反之亦然。2 结语在同一个小区中存在两个系统时， 从上下行链路分析了由CDMA2000系统引起的邻频干扰对WCDMA系统性能WCDMA基站与CDMA2000移动台之间的距离/m产生的影响。在上行链路，CDMA2000移动台引起的邻频干扰使得WCDMA基站处的最小允许接收功率增大，从而导致WCDMA基站的覆盖减小，容量损失。在下行链路，图3 上行链路容量损失（5 MHz保护带宽）1.4下行链路干扰仿真下行链路干扰是指当两系统共存时，CDMA2000 基站对WCDMA 移动台产生邻道干扰，从而引起WCDMA系统容量的下降。WCDMA容量的损失可以从WCDMA 移动台的

17、SIRnew（干扰后）体现出来，判断准则假定为当SIRnew比目标SIRtarget小5%时通信中断。3CDMA2000基站对WCDMA移动台的SIR将产生较大影响，越靠近CDMA2000基站的WCDMA移动台受到的干扰越大，随着干扰的逐步增大，其SIR将低于目标SIR而导致通信中断，意味着容量下降。干扰受多个因素的影响，增大保护带宽将有效地降低干扰，提高系统性能。WCDMA下行链路干扰仿真过程如下：设WCDMA 移动台在小区内随机分布，根据WCDMA 基站与CDMA2000基站之间的位置和距离可以确定每一个参考文献1 冯慧娟, 唐宏, 龙薇.WCDMA系统与其他无线系统共存时隔离度分析J.通

18、信技术,2007,40(09):29-30.2 3GPP TR 25.816 V7.0.0. UMTS 900 MHz Work Item TechnicalReportS. s.l.:3GPP.2005.3 周猛,梁双春,方媛.WCDMA与WiMAX系统共存干扰分析J.电信科学,2007.23(07):46-50.WCDMA 移动台与WCDMA 基站和CDMA 2000基站之间的路径损耗，则WCDMA基站总的发射功率P用式(7)表示：kkLiNFthWRR(1)P=1 。 （7）WWi=1i=1当共存小区中不存在CDMA2000移动台时，WCDMA（上接第177页）为了保证频谱效率相同，对Alamouti码采用BPSK调制，对码元速率为1/2的四天线正交空时分组码采用QPSK调制。从仿真结果可以看出MIMO系统中正交空时分组编码在误码率性能上要优于Alamoti码3 dB。出版社, 200