第３７卷第３期 ２０１０年３月 ｄｏｉ：１０．３９６９６．ｉｓｓｎ．１００９－６７１Ｘ．２０１０．０３．０１１ 应 用 科 技 Ｖ０ｌＩ３７．Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１０ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 基于天线选择和ＳＴＢＣ编码的ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统 李鸿林，杨业强 （哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１） 摘要：ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统能够极大地提高无线通信系统的容量和频谱利用率，为了增加系统的可靠性，采用空时分组编 码来获得空间分集．针对采用多天线所带来的射频链路增加，利用天线选择技术使系统不完全受射频成本的．该文提 出了一种基于基本的ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统结构的改进天线选择方法，并将ＳＴＢＣ应用到此改进方法的系统中．仿真结果表明， 在频率选择性衰落信道中，该方法在通过天线选择提高了天线利用率的前提下，降低了系统的误码率，获得了分集增益． 关键词：空时分组码；天线选择；ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ；单载波算法 中图分类号：ＴＰ８４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—６７１Ｘ（２０１０）０３．００４２—０３ Ｔｈｅ ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅ ｂｌｏｃｋ ｃｏｄｉｎｇ ＬＩ Ｈｏｎｇｑｉｎ，ＹＡＮＧ Ｙｅ－ｑｉａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅｉｎｐｕｔｍｕｌｔｉｐｌｅｏｕｔｐｕｔ－ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ）ｓｙｓｔｅｍｓｃａｎｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ＳＴＢＣ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ＲＦ ｌｉｎｋ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉ－ａｎｔｅｎｎａ，ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｏｆＲＦ ｃｏｓｔ ｔｏ ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅ ｂｌｏｃｋ ｃｏｄｅ ｔｏ ｔｈｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｓｙｓｔｅｍ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｈｓｓｈｏｗｓｔｈａｔ，ｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｅｌｅｃｔｉｖｅｆａｄｉｎｇｃｈａｎｎｅｌ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃａｎｄｅｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ｓｂｉｔｅｒｒｏｒｒａｔｅａｎｄ ｏｂｔａｉｎｄｉｖｅｒｓｉｔｙｇａｉｎｕｎｄｅｒｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇａｎｔｅｎｎａｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｂｙａｎｔｅｎｎａｓｅｌｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＴＢＣ；ａｎｔｅｎｎａｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ＭＩＭ０４３ＦＤＭ；ｓｕｂｃａｒｒｉｅｒａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＭＩＭＯ～ＯＦＤＭ技术可以在不增加额外带宽和 信道下性能最佳．文中将在Ｅ．Ｋｕｒｎｉａｗａｎ等人提出的 发射功率的情况下提高无线通信系统的容量和频 基于子载波天线选择的基础上讨论ＳＴＢＣ－ＭＩＭＯ． 谱利用率，并通过频率分集将频率选择性衰落信道 ＯＦＤＭ系统的性能．变换为平衰落信道＿ｌ＿２】，有效地抵抗多径衰落、抑制 符号问的干扰，成为４Ｇ的核心技术．采用选择天线 发射和（或）接收的方法用相对较少的收发射频链 １ ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统模型 图ｌ为ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统的结构框图，发送端 路支持较多的天线，使ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统的性价比 接收端有 根接收天线．在发送 大大提高．对于频率选择性信道，多数天线选择技术 有 根发射天线，采用基于子载波的方式，即先在每个子载波上按照 端，由Ⅳ个经过调制的子载波构成的ＯＦＤＭ符号乘 经过在多径环境 平衰落信道的方法进行天线选择，之后再综合各个 以经过天线选择的信道状态信息，在接收端第ｋ个接收子载波为 子载波的情况进行总体选择．空时分组码（ＳＴＢＣ）１３］ 中传播，作为一种发射分集技术，能有效抵抗衰落，在 收稿日期：２００９．０７—１７． ＝日 Ｘｔ棚 ，１≤ ≤Ｊ７ｖ． （１） 作者简介：李鸿林（１９６８－），男，副教授，主要研究方向：现代通信系统与通信技术，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｙｅｑｉａｎｇ＠舯ａｉｌ＿ｃｏｍ． 第３期 李鸿林，等：基于天线选择和ＳＴＢＣ编码的ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统 图１ ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统框图 式中：瓢∈Ｃ ，ｙｋ Ｃ ， ∈Ｃ似 分别为第 个子 载波的发送信号向量，接收信号向量和高斯白噪声 向量．日 为第ｋ个子载波经过天线选择之后的有效 一算法利用了各子载波的相关性来减少系统的 复杂度．具体做法是对子载波进行分组，每组只考虑 个载波的情况按照最优算法的步骤进行选择．分 组的个数要被载波数整除．图３是次优算法的示意 信道矩阵，在接收端利用最小均方误差线性接收机 接收，将接收到的信号乘以均衡器 ： Ｈ一 一Ｈ Ｇ［ｋｌ：［Ｈ Ｈ ＋ＮＪＥＪＮｒ旧 ］．， （）２ 式中：日 是接收端对子载波ｋ的信道估计，利用使 系统的误比特率最小的天线子集可以使最小子流 信噪比最大化【５ 这一结论．写出每一子流的信噪比： ２ ＳＮＲ￣［ｇ］：—— ＿ｌ一．（３） ⅣｆⅣｎＩ ［ｑｌ¨２＋ ∑ Ｉｇ，［ｑｌｈ－ ｇ］ ＩＪ≠ 式中：ｇ ｑ］是Ｇ［后】的第ｓ行， ［ｑ】ｌ是厅 的第ｓ列， 是输入信号的平均能量，Ⅳ０是噪声功率谱密度． ２天线选择算法 ２．１ 已有天线选择算法 最优天线选择算法 就是历遍所有天线组合， 找出： ｍａｘ ｍｉｎ ＳＮＲｓ［ｇ］． （４） ５ 图２为最优天线选择算法的示意图，第１步计 算每一种天线组合形式下在每一载波的信噪比，由 式（３）得出；第２步求出每一行的最小值；最后取求 出值中的最大值．这样得出的值所在的行就是选出 来的天线组合形式． ■■＿一 图２最优算法天线选择过程 为了减少计算的复杂度，一个简化的次优算 法 被提出． 图，可以看到，通过载波分组，减少的是对每种特定 天线组合的载波个数，并没有减少搜索天线组合形 式的工作量．分组的个数直接决定着算法的复杂度． Ⅳ每行最小值 图３天线选择过程次优算法 ２．２对已有算法的改进 上述方法虽然进行了载波分组，但并没有减少 ／ ．＼／ ＼ 天线组合形式，仍要考虑【ｆ７ｖ Ｊ×ｌⅣ Ｊ种情况，很大程 度上加大了系统的计算复杂度，而在实际的系统 中，由于链路的数目一定，并结合系统的容量和误 码率性能要求，有一些天线的组合形式是不必考虑 的．为了使天线的利用率达到最大，只有在发送天线 数目等于接收天线数的时候才能做到，即 ＝Ⅳ，、的 情况．这里的Ⅳ｜与Ⅳｒ是一个固定值，等于链路的数 目，而不像Ｅ．Ｋｕｒｎｉａｗａｎ等人算法当中的１≤ ≤ ， １≤Ｎｒ≤Ｍ。通过以上的分析，基于前文提到的方法， 一种改进的天线选择算法被提出，具体的方法如下． 对载波进行分组，仅考虑倍数的载波，计算 （／Ｍ．Ⅳ ＼／』×｛ ＼Ⅳ Ｊ 种天线组合情况下的各个子载波的子流 信噪比，通过文献［５－６］提到的准则进行选择，同时找 出 根发送天线和Ⅳｒ根接收天线．其中 ＝Ⅳｒ．图４ ／ ＼／ ＼ 为改进算法天线选择过程的示意图，ｍ ｌⅣ‘Ｊ×ＩⅣ Ｊ・ 可以看到，只取固定数目天线组合形式．这样使算法 的复杂度大大降低． 应 每行最小值 （ ｘ （Ｎ，ｘＸ 用 科 技 第３７卷 ２种调制方式，ＱＰＳＫ要比１６ＱＡＭ的性能好，这是 因为ＱＰＳＫ解调时的误判率要小于１６ＱＡＭ．性能的 改善在高信噪比时体现得比较明显，如ＱＰＳＫ调制 下信噪比为ｌ６ ｄＢ时误比特率从无ＳＴＢＣ码的１０－２ （ × 降到了有ＳＴＢＣ编码的１０ ． 图４改进算法天线选择过程 ３ ＳＴＢＣ码应用于系统 根据平衰落下的ＳＴＢＣ理论同，每个ＳＴＢＣ－ＯＦＤＭ 符号应由ⅣⅣｆＰ个符号组成，即编码矩阵是一个Ｐ 行的州列的矩阵．第 副接收天线第每个子载波 上的接收信号可表示为 Ｒ（ｋ）＝Ｇ （ ）‘ｎ（ｋ）＋Ｔｑ（ｋ）． （５） 式中：Ｒ∈Ｃ 为接收矩阵；ＧＩ ∈ｃ［Ｘ／．Ｎ为空时编码矩 阵；其元素５ （ ）为第 副发射天线第 个子载波在 Ｐ时刻发送的信号；７１∈Ｃ 为加性高斯白噪声．这样， 第 副接收天线第ｋ个子载波上的接收信号为 ｒ，／ｋ ＿Ｓｌ， ）… ）… ） ： ● ； ； ； 。（ ）… ， （ ）… ） （Ｊ｝ ： － ； ； ； ｒ，／ｋ Ｓ ａＪ（ｋ）… （ ）… ） Ｇ（ｋ 采用简化配方译码方法ｌ７Ｊ，可得到输出支 路的接收信噪比为 ｓ ｍ ｎ 缸 ㈩ ． （６） ４ 仿真结果 采用ｍａｔｌａｂ进行仿真，系统的ＦＦＴ点数为 ２５６，循环前缀为ＦＦＴ点数的１／４，采用３径模型信 道，噪声为同分布的高斯白噪声，均值为零，每 个维度的方差为Ｉ／２．在仿真过程中假设接收端已经 准确估计出衰落信道的响应．采用的调制星座是 ＱＰＳＫ和１６ＱＡＭ，发射端有２根天线，接收端有４ 根天线，通过天线选择得到２根符合要求的天线， 且假定发送端的发送功率是相等的，并进行了归一 化．在接收端，对每一载波进行最小均方误差接收． 最后得出误比特率的曲线图． 图５为采用上述改进天线选择方法系统ＳＴＢＣ 性能图－由图中的数据可知，利用空时分组编码得到 分集增益．在误比特率为１０ 时，通过ＳＴＢＣ编码的 系统要比没有ＳＴＢＣ编码的系统少ｌ０ ｄＢ左右．对于 ＳＮＲ／ｄＢ 图５ ＳＴＢＣ应用于ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ仿真结果 ５ 结束语 对ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ系统的天线选择算法做了介 绍，并从天线绷带组合冗余度的角度对其进行了简 化，提出了一种改进的天线选择方法，使得算法更 与实际情况贴近，并提高了天线利用率．对ＳＴＢＣ— ＯＦＤＭ－ＭＩＭＯ系统进行了阐述，介绍了每副接收天 线第各个子载波上的接收信号的表达式以及 输出支路的接收信噪比．最后进行了仿真，仿真结果 说明应用ＳＴＢＣ码的误比特率性能要优于没经过 ＳＴＢＣ编码的系统，系统的分集度得到提升． 参考文献： ｆ１ １ＶＡＮ ＮＥＥ Ｒ，ＰＲＡＳＡＤ Ｒ．ＯＦＤＭ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ１．Ｌｏｎｄｏｎ，Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ，２０００． ［２］ＭＯＯＳＥ Ｐ Ｈ．Ａ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆｆｓｅｔ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ阴．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ＩＥＥＥ， １９９４，４２（１Ｏ）：２９０８—２９１４． ｆ３］ＴＡＲＯＫＨ Ｖ，ＪＡＦＡＲＫＨＡＮＩ Ｈ，ＣＡＬＤＥＲＢＡＮＫ Ａ Ｒ．Ｓｐａｃｅ— ｔｉｍｅ ｂｌｏｃｋ ｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ：ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒｅｓｕｌｔｓＩＪＩ．ＩＥＥＥ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９９，１７（３）： ４５１．４６０． ［４］ＫＵＲＮＩＡＷＡＮ Ｅ，ＭＡＤＨＵＫＵＭＡＲ Ａ Ｓ，ＣＨＩＮ Ｆ．Ｓｕｂ ｏｐｔｉｍａｌ ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆｒ ＭＩＭ０－ＯＦＤＭ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］／／Ｖｃｈｉｃ— ｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ，ＵＳＡ，２ｏｏ７：４３５－４３９． 『５］ＨＥＡＬＴＨ Ｒ Ｗ Ｊ，ＳＡＮＤＨＵ Ｓ，ＰＡＵＬＲＡＪ Ａ．Ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆｒ ｓｐａｔｉａｌ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００１。５（４）：１４２—１４４． ｆ６］ＳＨＡＯ Ｘ，ＹＵＡＮ Ｊ，ＲＡＰＡＪＩＣ Ｐ．Ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ＭＩＭＯ— ＯＦＤＭ ｓｐａｔｉａｌ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ． Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ。２００３（７）：９０． 【７］罗 涛，乐光新．多天线无线通信原理与应用【Ｍ］．北京．北 京邮电大学出版社，２００５：１０—１５． 『责任编辑：孟玮】
