基于IEEE802.11a无线标准的STC-OFDM系统性能研究

空时码最初的设计和已经取得的成果都是基于窄带无线系统平坦衰落信道，但许多无线信道在本质上都是频率选择性衰落的。最近，越来越多的研究集中于提供高数据率业务和宽带无线信道上的移动计算。在宽带无线通信中，符号周期变得越来越小（与信道延迟扩展相比），因此发射信号要经历频率选择性衰落，使得空时编码技术可以在宽带系统中实现非常高的数据率。但是频率选择性信道上的最大似然译码非常复杂，因此需要通过减少码间干扰（ISI）来改善频率选择性衰落信道空时码性能。
　通过减少ISI,可以将频率选择性信道转变为频率非选择性信道。减少ISI的传统方法是在接收机中使用自适应均衡器。最优空时均衡器可以抑制ISI，因此，频率选择性衰落信道变成无符号间干扰。该方法的主要缺点是接收机的复杂度较高，因为必须在接收机使用多入多出均衡器(MIMO-EQ)[1]。本文提出使用OFDM技术，在OFDM中，将整个信道分成许多窄的并行子信道，因此增加了符号周期，并且减少或消除了多径环境引起的ISI。由于OFDM系统中不需要MIMO-EQ，因此该方法相对来说具有一定的优越性。OFDM技术与不同的编码结合所表现的性能改善是不相同的,文中提出对STBC-OFDM与VBLAST-OFDM结合技术的比较分析,通过仿真验证了STBC-OFDM系统的优越性。在此基础上研究了OFDM技术的相关参数以及交织器对STBC-OFDM系统性能的影响，说明了在使用估计法时尽可能使用大系统，系统的信道估计会更加准确，并且随机交织器有助于显著改善多径衰落信道下系统性能并能在各种信道上达到合理的鲁棒性。
1 IEEE802.11a标准与系统模型
　在IEEE802.11a中，OFDM系统使用 GHz频段，占用20 MHz带宽,提供速率为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的数据通信能力。其中对于6 Mb/s、12 Mb/s、24 Mb/s的发送和接收数据速率的支持是必备的。系统采用经BPSK、QPSK、16-QAM或64-QAM调制的52个子载波。前向纠错采用1/2、2/3或3/4的卷积编码。图1为IEEE802.11a收发信机原理框图[2-3]。

   本文基于IEEE802.11a标准协议,将STC合并到IEEE802.11a系统中,以此来获得适合高数据率业务高速率数据包传输系统。修改后的模型框图如图2所示，在图中添加了两个新的模块，即图中阴影线框所示：发射端的“发射分集编码器”、接收端的“分集合并”。发送端的编码器将调制信号转换成空时编码的信号。接收端的分集合并在解多路复用器中获得输出值，并且进行空时编码。根据这一修改,能够在MIMO中充分利用IEEE802.11a系统，获得适合高吞吐量业务应用的高速率数据包传输系统[3]。

    在IEEE802.11a协议标准下对于STC-OFDM系统模型进行分析，对于有K个OFDM子载波,发射天线为Nt、接收天线为Nr的基带STC-OFDM通信系统,系统总的带宽为W。将总带宽分成K个相互重叠的子频带。 
    在每一时刻t对信息比特分组编码，产生空时码字为:


其中最小化是在所有可能的空时码字上进行的。


3 仿真结果及分析
3.1 参数设置
　在仿真中，使用IEEE802.11a协议标准对系统进行设置，表1为IEEE802.11a物理层的重要参数表。

3.2 仿真结果
3.2.1 不同编码结合技术的性能比较
    对空时码的研究主要有两个分支，一个是BELL实验室的Foschini等人对分层空时码的研究；另一个分支是AT&T的Tarokh、Guery等人对基于发射分集的空时码的研究。本文提出了对这两个分支上典型编码与OFDM技术结合后性能的比较。
    图3比较了VBLAST-OFDM系统与STBC-OFDM系统的性能，并且对于不同接收天线的VBLAST-OFDM系统性能进行了比较。由仿真结果可知：采用两副发射天线三副接收天线加入空时编码的OFDM系统的误码率性能在同样信噪比的情况下优于两副发射天线两副接收天线加入空时编码的OFDM系统，同样采用两副发射天线两副接收天线加入空时编码的OFDM系统的误码率性能在同样信噪比的情况下优于一副发射天线两副接收天线加入空时编码的OFDM系统，由此可见当发射天线数目不变时，随着接收天线数目的增加，性能越来越好，获得了分集增益，提高了带宽利用率，同时也可以看到随着发射天线的增加也能达到同样的效果。当接收天线数目都为2时,可以看到在同一信噪比条件下，STBC-OFDM性能优于VBLAST-OFDM系统。性能的不同主要是由于STBC与VBLAST的分集增益不同，根据前面的理论分析，STBC的分集增益为8，而VBLAST的分集增益只有3。仿真证明了STBC与OFDM技术的结合优于VBLAST。

3.2.2 FFT点数和子载波数对性能的影响
    图3的仿真结果验证了STBC-OFDM系统的性能优于VBLAST-OFDM系统的性能。本小节主要通过改变OFDM技术的相关参数来分析STBC-OFDM系统的性能。
    图4主要验证了在不同的傅里叶变换抽样点数目和子载波数下STBC-OFDM系统的性能。仿真图显示了FFT点数从256增加到512时系统的性能变化。设FFT点数为256，当子载波数从52增加到100时，系统的性能得到了改善；而当子载波数相同时，FFT点数的增加同样也带来了系统性能的改善。仿真结果表明,在使用估计法时尽可能使用大系统，系统的信道估计会更加准确。

3.2.3 交织器对性能的影响
    理论分析表明在空时编码器和OFDM调制器之间使用“交织器”有助于在各种信道上达到合理的鲁棒性能。
    图5比较了发射机中有交织机和没有交织机的STBC-OFDM系统在多径等增益衰落信道上的性能。仿真表明：同样使用两发射天线与两接收天线，在没有采用交织的情况下，当BER等于10-2时，系统的误码率性能与使用交织相比要差4.2 dB。从仿真结果可以看出：随机交织器有助于显著改善码的性能。仿真结果与理论分析相符，更证实了理论分析的正确性。

    本文针对空时码在频率选择性衰落信道下的最大似然译码非常复杂这一问题提出了使用OFDM技术减少码间干扰（ISI），进而改善频率选择性衰落信道下空时码性能的合理方案。通过在IEEE802.11a无线标准下对STC与OFDM技术相结合后的STC-OFDM系统进行了理论分析与仿真验证，说明对于MIMO频率选择性衰落信道而言，空时码与宽带OFDM的结合可以削弱多径衰落的影响，实现数据率非常高的鲁棒传输，仿真结果证实了这个方案的优越性，并且为深入研究STC技术与MIMO-OFDM系统的结合提供了理论基础和应用方案。
参考文献
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