STBC技术在频率选择性衰落信道中的性能研究和改进

h1 (t) = h1 (t + T ) = h1 = α1e jθ1
（3-1）
其中 T 为符号周期。相应地，接收天线在时刻 t 和 t+T 接收到的信号可以分别表示为
-3-

r0 = r(t) = h0 s0 + h1s1 + n0
r1
=
r(t)
=
−
h0
个信号点为 (s1 , s2 ,⋅ ⋅ ⋅, sn ) 。利用这 n 个信号点构成正交设计矩阵 C。在矩阵 C 中，每一列
元素同一天线在 n 个时隙内发射，其中第 i 列对应第 i 个发射天线；每一行在不同天线上同 时发射，其中第 i 行在第 i 时隙发射，这就是正交空时分组码的基本原理。
图 3-2 分组空时码系统结构
（3-3）
将式(2-1)和式(2-2)代入式(2-3)可得：
~s 0
=
h
∗
0
r0
+ h1r1∗
= h0∗ (h0 s0 + h1s1 + n0 ) + h1 (−h0∗s1 + h1∗s0 + n1∗ )
=
(α
2 0
+
α
2 1
)s0
+
h0∗ n0
+
h1n1∗
~s 1
=
h∗ 1
r0
−
h0 r1∗
= h1∗ (h0 s0 + h1s1 + n0 ) − h0 (−h0∗s1 + h1∗s0 + n1∗ )
下面以两发一收的情况为例来讨论 Alamouti 发射分集方案。图 3-1 给出了两发一收 Alamouti 发射分集方案的结构示意图。
在某一时刻 t，从两副发射天线上同时发射两个信号，天线 0 发射信号 s0，天线 1 发射
信号 s1。在下一时刻 t+T，天线 0 发射信号 − s1∗ ，天线 1 发射信号 s0∗ ，如表 3-1 所示。
数与每根天线发射的空时编码符号数之间的比率，可以表示为
R=k/ p 正交空时分组码的频谱利用率（ bit / Hz ）为
（3-5）
η = rb = rs mR = km
B rs
p
式中， rb和rs 分别是比特和符号速率， B 是带宽。
（3-6）
传输矩阵 X 的元素是 K 个调制符号 x1 , x2 ,...xk 和它们的共轭 x1∗ , x2∗ ,..., xk∗ 的线性组
图 3-1 两发一收 Alamouti 发射分集 表 3-1 两天线发射分集的编码传输序列
在时刻 t，发射天线 0 与接收天线之间的信道用复数 h0(t)表示，发射天线 1 与接收天线
之间的信道用复数 h1(t)表示，假设在两个连续的符号周期内衰落保持不变，即：
h0 (t) = h0 (t + T ) = h0 = α 0e jθ0
合。为了实现完全发射分集 nT ，传输矩阵 X 是基于正交设计构造的，因此
X ⋅ X H = c( x1 2 + x2 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + xk 2 )I nT
（3-7）
式中，c 为常量， X H 是 X 的 Hermitian 转置， I nT 是一个 nT × nT 的单位矩阵。 X 的 第 i 行表示在 p 个传输周期内从第 i 根发射天线连续发射的符号， X 的第 j 列表示 j 时刻同

STBC 技术在频率选择性衰落信道中的性能研究和 改进
黄月琴
厦门大学通信工程系，福建厦门（361005）
E-mail：tess-123@
摘 要：空时分组码是一种有效抗衰落的发射分集技术，但是现有的研究大都集中在平坦 衰落信道下进行。文章详细分析频率选择性衰落信道下的空时分组编码技术（STBC）的性 能，推导出了两发射一接收（2Tx-1Rx）系统传输比特误码率的一般理论分析式。理论分析 和仿真结果均表明，在频率选择性衰落信道下，STBC 的性能将会大大下降。为改进其性能， 本文还提出了适用于在频率选择性衰落信道的 STBC —OFDM（Space Time Block Coding— Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系统。研究和仿真结果表明，STBC—OFDM 系 统误码性能得到了很大改善，是一种非常有效的抗频率选择性衰落技术。这一理论成果也 可推广到采用 STBC 技术的多天线发射分集系统。 关键词：频率选择性衰落信道，空时分组码，正交频分复用 中图分类号：TN911
-1-

2.1 第四代移动通信新技术
由于因特网和多媒体应用在下一代无线通信中的集成，宽带高速数据通信服务的要求 也不断增长，而可利用的无线频谱是有限的，只有使通信频谱的利用率得到显著提高，才能 满足通信容量的要求。
在第四代移动通信系统中，正交空时分组编码（STBC）技术是抗信道衰落和提高系统 容量的一种最新编码方法。研究表明，在平坦衰落信道下，STBC 技术可以使频谱利用率得 到显著的提高。由于其在宽带系统中可以实现非常高的数据传输率，因此，空时编码技术被 越来越多地应用于提供高数据传输率的业务。然而，STBC 技术在实际无线通信传输信道的 性能又是如何呢？这是本文的重点研究所在。
-2-

3.2 Alamouti发射方案
1998 年，Alamouti 提出了一种非常简单的两支路发射分集方案[4]。理论分析和仿真结 果表明，当使用一副接收天线时，这种发射分集方案所获得的分集增益与使用一副发射天线、 两副接收天线，接收端采用最大比值合并(MRRC)时所获得的分集增益相同。而且这种发射 分集方案很容易推广到两副发射天线、m 副接收天线的情况，这时所获得的分集增益为 2m。
=
(α
2 0
+ α12 )s1
−
h0 n1∗
+
h1∗ n0
（3-4）
3.3 正交分组空时码的基本原理
Alamouti 提出的发射分集传输方案实际上就是两发射天线的正交分组空时码，下面介 绍一般的正交分组空时码。
Tarokh 应用正交设计理论，将 Alamouti 提出的两天线发射分集方案推广到任意多副发 射天线，提出了正交分组空时码。假设信号星座图的大小为 2b，发射天线数为 n，接收天线 数为 m，希望达到的分集为 nm，分组空时编码器将输入的 nb 比特信息映射成星座图的 n
随着数据传输速率的进一步提高，信道将出现频率选择特性。为了研究新一代移动通 信技术，一个与实际传输环境相符合的无线通信信道仿真模型以及信道估计方法是必需的。
2.3 STBC技术在移动通信信道中的展望与未来
基于对频率选择性衰落信道的分析，文章得出了 STBC 新技术在此信道下传输性能将 大大恶化的结论。为了使 STBC 技术在第四代移动通信中继续发挥其优势，我们引入了 OFDM(正交频分复用)调制系统。OFDM 它具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力， 它不仅仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数 据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去。文章把 STBC 技术和 OFDM 调制有机的结合起来，从而构成一个 STBC 技术和 OFDM 相结合的通信系统,并通过 仿真的手段研究 STBC 技术和 OFDM 相结合的通信系统在频率选择性衰落信道下的系统性 能。
时通过 nT 根发射天线发射的符号。X 的第 j 列可以看作是 j 时刻发射的一个空时符号。X
为了使空时分组编码技术适用于无线快衰落信道，将它引入正交频分复用[2]（OFDM） 系统中。这是因为，OFDM 采用循环前缀技术，可将选择性衰落信道转换为多个平坦衰落 子信道。从而使空时分组码的优势运用于 OFDM 系统中，同时进一步提高 OFDM 系统的竞 争力。
2．绪论
自 1897 年马可尼第一次展示了无线电使英格兰海峡里行驶的船只保持连续不断的通信 能力以来，移动通信就一直是人们心目中最完美的梦想。随着贝尔实验室蜂窝概念的提出和 高可靠的、小型化的、晶体射频电路的发展，移动通信的时代终于来临了。21 世纪，全球 进入了信息时代，信息的产生和传递非常迅速，已影响了社会的各个方面。随着经济的增长、 社会的发展和人们物质生活及精神生活水平的提高，人们对通信提出了更新、更高的要求。
s
∗
1
+
h1 s 0∗
+
n1
（3-2）
其中 n0 和 n1 为表示收端噪声和干扰的随机变量。假设 n0 和 n1 为独立同分布的复高
斯随机变量，均值为零，方差为 N0。
图 2-1 中收端的合并器将以下两个组合信号送入最大似然检测器：
~s 0
=
h
∗
0
r0
+ h1r1∗
~s1 = h1∗r0 − h0 r1∗
正交分组空时码的系统结构如图 3-2 所示。发射端采用 n 副发射天线，接收端采用 m 副接收天线。在分组空时码系统中，输入的信息比特首先映射为调制星座图(如 4-PSK. 8-PSK. 16-QAM)中的信号点，然后经分组空时编码器编码输出 n 路并行的数据流分别用 n 副发射天
-4-
1．引言Biblioteka 未来移动通信是朝着宽带高速的方向发展，信号在经过无线信道时，不仅会受到信道多 径衰落、通信双方移动引起的 Doppler 频移的影响，还会受到各种干扰与噪声的影响。为了 解决此问题，未来移动通信必须采用基于多天线的空时编码技术，其中正交空时分组编码 STBC[1]技术是一种有效的抗衰落发射分集技术，STBC 以其较强的抗衰落性能和较低的译码 复杂度而受到了广泛关注，并且已经被 3G 标准采纳。它具有以下几个特点：（1）对于发 射天线数为 2 的 STBC，无论信号星座为实的或是复的，均可在满发射速率的情况下获得最 大的空间分集增益；（2）空时分组码由正交理论获得，使用最大似然译码，接收机端采用 线性处理，实现简单。