基于IEEE802.11a無線標準的STC-OFDM系統(tǒng)性能研究

空時碼最初的設計和已經取得的成果都是基于窄帶無線系統(tǒng)平坦衰落信道，但許多無線信道在本質上都是頻率選擇性衰落的。最近，越來越多的研究集中于提供高數(shù)據率業(yè)務和寬帶無線信道上的移動計算。在寬帶無線通信中，符號周期變得越來越?。ㄅc信道延遲擴展相比），因此發(fā)射信號要經歷頻率選擇性衰落，使得空時編碼技術可以在寬帶系統(tǒng)中實現(xiàn)非常高的數(shù)據率。但是頻率選擇性信道上的最大似然譯碼非常復雜，因此需要通過減少碼間干擾（ISI）來改善頻率選擇性衰落信道空時碼性能。
　通過減少ISI,可以將頻率選擇性信道轉變?yōu)轭l率非選擇性信道。減少ISI的傳統(tǒng)方法是在接收機中使用自適應均衡器。最優(yōu)空時均衡器可以抑制ISI，因此，頻率選擇性衰落信道變成無符號間干擾。該方法的主要缺點是接收機的復雜度較高，因為必須在接收機使用多入多出均衡器(MIMO-EQ)[1]。本文提出使用OFDM技術，在OFDM中，將整個信道分成許多窄的并行子信道，因此增加了符號周期，并且減少或消除了多徑環(huán)境引起的ISI。由于OFDM系統(tǒng)中不需要MIMO-EQ，因此該方法相對來說具有一定的優(yōu)越性。OFDM技術與不同的編碼結合所表現(xiàn)的性能改善是不相同的,文中提出對STBC-OFDM與VBLAST-OFDM結合技術的比較分析,通過仿真驗證了STBC-OFDM系統(tǒng)的優(yōu)越性。在此基礎上研究了OFDM技術的相關參數(shù)以及交織器對STBC-OFDM系統(tǒng)性能的影響，說明了在使用估計法時盡可能使用大系統(tǒng)，系統(tǒng)的信道估計會更加準確，并且隨機交織器有助于顯著改善多徑衰落信道下系統(tǒng)性能并能在各種信道上達到合理的魯棒性。
1 IEEE802.11a標準與系統(tǒng)模型
　在IEEE802.11a中，OFDM系統(tǒng)使用 GHz頻段，占用20 MHz帶寬,提供速率為6 Mb/s、9 Mb/s、12 Mb/s、18 Mb/s、24 Mb/s、36 Mb/s、48 Mb/s和54 Mb/s的數(shù)據通信能力。其中對于6 Mb/s、12 Mb/s、24 Mb/s的發(fā)送和接收數(shù)據速率的支持是必備的。系統(tǒng)采用經BPSK、QPSK、16-QAM或64-QAM調制的52個子載波。前向糾錯采用1/2、2/3或3/4的卷積編碼。圖1為IEEE802.11a收發(fā)信機原理框圖[2-3]。

   本文基于IEEE802.11a標準協(xié)議,將STC合并到IEEE802.11a系統(tǒng)中,以此來獲得適合高數(shù)據率業(yè)務高速率數(shù)據包傳輸系統(tǒng)。修改后的模型框圖如圖2所示，在圖中添加了兩個新的模塊，即圖中陰影線框所示：發(fā)射端的“發(fā)射分集編碼器”、接收端的“分集合并”。發(fā)送端的編碼器將調制信號轉換成空時編碼的信號。接收端的分集合并在解多路復用器中獲得輸出值，并且進行空時編碼。根據這一修改,能夠在MIMO中充分利用IEEE802.11a系統(tǒng)，獲得適合高吞吐量業(yè)務應用的高速率數(shù)據包傳輸系統(tǒng)[3]。

    在IEEE802.11a協(xié)議標準下對于STC-OFDM系統(tǒng)模型進行分析，對于有K個OFDM子載波,發(fā)射天線為Nt、接收天線為Nr的基帶STC-OFDM通信系統(tǒng),系統(tǒng)總的帶寬為W。將總帶寬分成K個相互重疊的子頻帶。 
    在每一時刻t對信息比特分組編碼，產生空時碼字為:


其中最小化是在所有可能的空時碼字上進行的。


3 仿真結果及分析
3.1 參數(shù)設置
　在仿真中，使用IEEE802.11a協(xié)議標準對系統(tǒng)進行設置，表1為IEEE802.11a物理層的重要參數(shù)表。

3.2 仿真結果
3.2.1 不同編碼結合技術的性能比較
    對空時碼的研究主要有兩個分支，一個是BELL實驗室的Foschini等人對分層空時碼的研究；另一個分支是AT&T的Tarokh、Guery等人對基于發(fā)射分集的空時碼的研究。本文提出了對這兩個分支上典型編碼與OFDM技術結合后性能的比較。
    圖3比較了VBLAST-OFDM系統(tǒng)與STBC-OFDM系統(tǒng)的性能，并且對于不同接收天線的VBLAST-OFDM系統(tǒng)性能進行了比較。由仿真結果可知：采用兩副發(fā)射天線三副接收天線加入空時編碼的OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能在同樣信噪比的情況下優(yōu)于兩副發(fā)射天線兩副接收天線加入空時編碼的OFDM系統(tǒng)，同樣采用兩副發(fā)射天線兩副接收天線加入空時編碼的OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能在同樣信噪比的情況下優(yōu)于一副發(fā)射天線兩副接收天線加入空時編碼的OFDM系統(tǒng)，由此可見當發(fā)射天線數(shù)目不變時，隨著接收天線數(shù)目的增加，性能越來越好，獲得了分集增益，提高了帶寬利用率，同時也可以看到隨著發(fā)射天線的增加也能達到同樣的效果。當接收天線數(shù)目都為2時,可以看到在同一信噪比條件下，STBC-OFDM性能優(yōu)于VBLAST-OFDM系統(tǒng)。性能的不同主要是由于STBC與VBLAST的分集增益不同，根據前面的理論分析，STBC的分集增益為8，而VBLAST的分集增益只有3。仿真證明了STBC與OFDM技術的結合優(yōu)于VBLAST。

3.2.2 FFT點數(shù)和子載波數(shù)對性能的影響
    圖3的仿真結果驗證了STBC-OFDM系統(tǒng)的性能優(yōu)于VBLAST-OFDM系統(tǒng)的性能。本小節(jié)主要通過改變OFDM技術的相關參數(shù)來分析STBC-OFDM系統(tǒng)的性能。
    圖4主要驗證了在不同的傅里葉變換抽樣點數(shù)目和子載波數(shù)下STBC-OFDM系統(tǒng)的性能。仿真圖顯示了FFT點數(shù)從256增加到512時系統(tǒng)的性能變化。設FFT點數(shù)為256，當子載波數(shù)從52增加到100時，系統(tǒng)的性能得到了改善；而當子載波數(shù)相同時，F(xiàn)FT點數(shù)的增加同樣也帶來了系統(tǒng)性能的改善。仿真結果表明,在使用估計法時盡可能使用大系統(tǒng)，系統(tǒng)的信道估計會更加準確。

3.2.3 交織器對性能的影響
    理論分析表明在空時編碼器和OFDM調制器之間使用“交織器”有助于在各種信道上達到合理的魯棒性能。
    圖5比較了發(fā)射機中有交織機和沒有交織機的STBC-OFDM系統(tǒng)在多徑等增益衰落信道上的性能。仿真表明：同樣使用兩發(fā)射天線與兩接收天線，在沒有采用交織的情況下，當BER等于10-2時，系統(tǒng)的誤碼率性能與使用交織相比要差4.2 dB。從仿真結果可以看出：隨機交織器有助于顯著改善碼的性能。仿真結果與理論分析相符，更證實了理論分析的正確性。

    本文針對空時碼在頻率選擇性衰落信道下的最大似然譯碼非常復雜這一問題提出了使用OFDM技術減少碼間干擾（ISI），進而改善頻率選擇性衰落信道下空時碼性能的合理方案。通過在IEEE802.11a無線標準下對STC與OFDM技術相結合后的STC-OFDM系統(tǒng)進行了理論分析與仿真驗證，說明對于MIMO頻率選擇性衰落信道而言，空時碼與寬帶OFDM的結合可以削弱多徑衰落的影響，實現(xiàn)數(shù)據率非常高的魯棒傳輸，仿真結果證實了這個方案的優(yōu)越性，并且為深入研究STC技術與MIMO-OFDM系統(tǒng)的結合提供了理論基礎和應用方案。
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