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Space-Time-Frequency Coded OFDM Over

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IEEETRANSACTIONSONSIGNALPROCESSING,VOL.50,NO.10,OCTOBER20022465Space-Time-FrequencyCodedOFDMOverFrequency-SelectiveFadingChannels

ZhiqiangLiu,YanXin,StudentMember,IEEE,andGeorgiosB.Giannakis,Fellow,IEEE

Abstract—Thispaperproposesnovelspace-time-frequency(STF)codingformultiantennaorthogonalfrequency-divisionmultiplexing(OFDM)transmissionsoverfrequency-selectiveRayleighfadingchannels.Incorporatingsubchannelgroupingandchoosingappropriatesystemparameters,wefirstconvertoursystemintoasetofgroupSTF(GSTF)systems.ThisenablessimplificationofSTFcodingwithineachGSTFsystem.WederivedesigncriteriaforSTFcodingandexploitexistingSTcodingtech-niquestoconstructbothSTFblockandtrelliscodes.Theresultingcodesareshowntobecapableofachievingmaximumdiversityandcodinggains,whileaffordinglow-complexitydecoding.Theperformancemeritsofourdesignisconfirmedbycorroboratingsimulationsandcomparedwithexistingalternatives.

IndexTerms—Diversitymethods,fadingchannels,space-time-frequencycodes,space-timecodes,space-frequencycodes,transmitantennadiversity.

I.INTRODUCTION

THEmajordriverforbroadbandwirelesscommunications

hasbeenreliablehigh-data-rateservices(e.g.,real-timemultimediaservices).This,togetherwiththescarcityofband-widthresources,motivateresearchtowarddevelopingefficientcodingandmodulationschemesthatimprovethequalityandbandwidthefficiencyofwirelesssystems.Inwirelesslinks,multipathfadingcausesperformancedegradationandconsti-tutesthebottleneckforincreasingdatarates.Traditionally,themostpopulartechniquetocombatfadinghasbeentheexploitationofdiversity.Space-time(ST)codinghasbeenprovedeffectiveincom-batingfading,andenhancingdatarates;seee.g.,[16],[19],andreferencestherein.Exploitingthepresenceofspatialdiver-sityofferedbymultipletransmitand/orreceiveantennas,STcodingreliesonsimultaneouscodingacrossspaceandtimetoachievediversitygainwithoutnecessarilysacrificingpreciousbandwidth.TwotypicalexamplesofSTcodesareSTtrelliscodes[22]andSTblockcodes[2],[21].InSTcoding,themax-imumachievablediversityadvantageisequaltotheproductof

ManuscriptreceivedMay14,2001;revisedMay13,2002.ThisworkwassupportedbytheNationalScienceFoundationunderWirelessInitiativegrant9979442,AROgrantDAAG55-98-1-0336,andagrantfromtheARL/CTA.PartofthisworkappearsintheProceedingsoftheInternationalConferenceonAcoustics,Speech,andSignalProcessing,Orlando,FL,May13–17,2002andintheProceedingsofVehicularTechnologyConference,Birmingham,AL,May4–9,2002.TheassociateeditorcoordinatingthereviewofthispaperandapprovingitforpublicationwasDr.ThomasL.Marzetta.Z.LiuiswiththeDepartmentofElectricalandComputerEngineering,Uni-versityofIowa,IowaCity,IA52244USA(e-mail:zhiqiang-liu@uiowa.edu).Y.XinandG.B.GiannakisarewiththeDepartmentofElectricalandComputerEngineering,UniversityofMinnesota,Minneapolis,MN55455USA(e-mail:yxin@ece.umn.edu;georgios@ece.umn.edu).PublisherItemIdentifier10.1109/TSP.2002.803332.

thenumberoftransmitandreceiveantennas;therefore,itiscon-strainedbythesizeandcostasystemcanafford.Thelattermo-tivesexploitationofextradiversitydimensions,suchasmulti-pathdiversity.Multipathdiversitybecomesavailablewhenfrequencyselec-tivityispresent,whichisthetypicalsituationforbroadbandwirelesschannels[16].Asprovedin[4],[18],and[27],multi-antennatransmissionsoverfrequency-selectivefadingchannelscanpotentiallyprovideamaximumdiversitygainthatismulti-plicativeinthenumberoftransmitantennas,receiveantennas,andthechannellength.Inspiredbythisresult,anumberofcodingschemeshavebeenproposedrecentlytoexploitmulti-pathdiversity.Becausetheyofferlow-complexityequalizationdecodingandfacilitatethesupportofmultirateservices,mul-ticarriertransmissions1aretypicallyadoptedbythoseschemes

[1],[4],[14],[18],[27].Amongthem,[14]and[27]relyoncombiningSTcodeswithredundantornonredundantlinearpre-coders.Maximumdiversitygainisachievedin[14]and[27]attheexpenseofbandwidthefficiency[14]orincreaseddecodingcomplexity[14],[27].Ontheotherhand,[1],[4],[5],[12],and[18]arebasedonspace-frequency(SF)coding,whichamountstosimultaneouslycodingoverspaceandfrequency.However,duetotheprohibitivecomplexityinconstructingthecodes,noSFcodeshavebeendesignedin[1],[4],[12],or[18].Instead,[1],[4],[12],and[18]simplyadoptexistingcodes[STblockcodesin[4]andtrellis-codedmodulation(TCM)codesin[1],[4],[12],[18]],withoutmaximumdiversitygainguarantees.In[5],anSFcodeisproposedtoachievemaximumdiversitygainattheexpenseofbandwidthefficiency.Moreover,issuespertainingtomaximizingthecodinggainofST-codedtrans-missionsoverfrequency-selectivechannelshaveyettobead-dressed.Focusingonmultiantennaorthogonalfrequency-divisionmultiplexing(OFDM)transmissionsthroughfrequency-selec-tiveRayleighfadingchannels,thispaperpursuesanovelpath:jointspace-time-frequency(STF)codingoverspace,time,andfrequency.Resortingtosubchannelgrouping[10],[17],[24]andbychoosingpropersystemparameters,wefirstdividethesetofgenerallycorrelatedOFDMsubchannelsintogroupsofsubchannels.WethusconvertoursystemintoasetofwhatwetermgroupSTF(GSTF)subsystems,withinwhichSTFcodingisconsidered.ByderivingdesigncriteriaforSTFcodes,weprovidealinkbetweenSTFcodesandexistingSTcodes.Weprovethatsubchannelgroupingdoespreservemaximumdiversitygainswhilesimplifyingnotonlythecodeconstructionbutthedecodingalgorithmsignificantlyaswell.Aimingat

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MIMO―OFDM系统中的空时码编码技术word精品文档4页

MIMO―OFDM系统中的空时码编码技术word精品文档4页

MIMO―OFDM系统中的空时码编码技术如何进一步提高频谱效率和数据传输率，满足日益增长的多种无线数据业务要求已成为B3G无线通信系统的关键问题之一，而MIMO技术和OFDM 技术的结合在解决这一问题上体现出了巨大的优势。

目前，大量地把MIMO-OFDM技术应用在无线通信系统以提高系统性能的研究集中在如何在所有天线上分配子载波，使得基站根据信道状态信息来选择合适的子载波传输OFDM信号。

通常将MIMO技术和OFDM结合有两种方法：一种是利用多天线实现空分复用，提高数据比特率；另一种是利用多天线实现空间分集，从而提高传输可靠性。

基于MIMO-OFDM的STBC和SFBC能保证在频率选择性衰落信道中的分集增益，正逐渐成为热点研究分支。

1 系统模型考虑带空分复用的MIMO-OFDM系统，分别有个发送天线和个接收天线。

我们在发送端进行天线选择，从所有个发送天线中选择个天线来发送OFDM 信号，所以共有种可能的天线组合，假设在每个子载波上信道为平坦瑞利衰落的，这样系统信道可以建模成的三维矩阵，为子载波数，且矩阵元素为服从均值为0，方差为1（实部和虚部的方差分别为1/2）的独立同分布的复高斯变量。

经过天线选择后，信道变为的三维矩阵，在发送端，空分复用器首先把一组串行的信息比特流转换成和选择天线数相等的组并行的比特流，然后经过快速付氏反变换（IFFT）并加循环前缀（CP）后在选择出的个天线上发送，在接收端由个接收天线接收信号，经过采样、去循环前缀（RP）、付氏变换（FFT）和空分复用检测器后得到最后的信息比特流。

2 空时分组码编码的OFDM空时分组码是利用正交的原理设计各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域联合的正交分组编码方式。

在一定条件下，空时分组码可以使接收端解码后获得满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，译码复杂度低。

考察一个具有K根发射天线M根接收天线的MIMO无线通信系统，信道为平坦衰落信道，不同发射接收天线对间的信道衰落相互独立。

MIMO-OFDM系统中信道估计解析

MIMO-OFDM系统中信道估计解析

题目：MIMO-OFDM系统中信道估计及信号检测算法的研究独创性（或创新性）声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。

学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后遵守此规定）本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。

本人签名：夺^摘要MIMO-OFDM系统中信道估计及信号检测算法的研究输入多输出（MIMO)和正交频分复用（OFDM)是LTE的两大核心技术。

多输入多输出（MIMO)技术利用各种分集技术带来的分集增益可以提高系统的信道容量、数据的传输速率以及系统的频谱利用率，这些都是在不增加系统带宽和发射功率的情况下取得的；正交频分复用（OFDM)技术是多载波调制技术的一种，其物理信道是由若干个并行的正交子信道组成，因此可有效地对抗频率选择性衰落，同时通过插入循环前缀（CP)可以有效消除由多径而引起的符号间干扰(ISI)。

由于多输入多输出（MIMO)在提高系统容量和正交频分复用（OFDM)在对抗多径衰落方面的优势，基于两者结合的MIMO-OFDM系统已经引起了广泛的关注。

信道估计算法和信号检测算法是MIMO-OFDM系统的关键技术。

其中信道估计算法对MIMO-OFDM系统接收端的相干解调和空时检测起着至关重要的作用，信道估计的准确性将影响系统的整体性能。

电子行业英文缩写

电子行业英文缩写

电子行业英文缩写1.ATM（Asynchronous Transfer Mode）: 异步转移模式。

将话音、图像、数据、视频等多种业务数字化后转换成长度相同的分组（信元），包括信息域和元头，根据元头的信息进行传送。

2.HAD（High Density Architectures ）: 高密度结构3.EDA（Electronic Design Automation）: 电子设计自动化4.DWDM（Dense Wavelength-Division Multiplexing）: 密集波分复用5.WDM（Wavelength-Division Multiplexing）: 波分复用光纤传输技术，是在一根光纤上使用不同的波长传输多种光信号。

6.SR（Software Radio）: 软件无线电是用宽带无线接收机来代替原来的窄带接收机，同时把电台的功能尽可能多地采用软件来实现。

7.FR（Frame Relay）: 帧中继它是在数据发送到数据链路层后，以帧为单位进行传送，传送时不作分组的重发处理，大大简化了处理的过程、提高了效率。

8.AON （All Optical Network）: 全光网络指信号仅在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。

9.VPN（Virtual Private Network）: 虚拟专网指依靠ISP和其他NSP（网络服务提供者）在公用网络建立专用的数据通信网络。

10.Ethernet : 以太网它是一种可以随机存取的计算机典型局域网11.GSM (Global System for Mobile Communications) : 移动通信的通用系统它是第二代数字无线网络，占有世界上70%数字移动通信市场。

它的家族包括有GPRS，EDGE和3GSM12.EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) : 增强数据速率的GS M 它是在GS M核心网上提供增强速率，能够在移动时下载射频图像，音乐，全媒体信息和高速彩色互联网接入。

OFDM的时域和频域均衡技术-信道估计

OFDM的时域和频域均衡技术-信道估计


三次样条插值法 4K /L + 4
维纳滤波法
N tap
( 4K - 2) /L + 3 N tap - 1
况下这些算法的运算复杂度从低到高依次为线性内插法 、二阶插值法 、三次样条插值法 、维纳滤波法 。
2. 2 性能仿真
为了评估各种算法的性能 ,进行了计算机仿真 。
仿真参数 :子载波数 N 为 256, 循环前缀长度 N g 为 64, 调制方式为 QPSK,假设在 Beyond 3G中 , 系统工作于 5GHz频段 ,终端的最大移动速度为 500 km / h,最大多普勒频移 fv / c = 2. 314kHz, 导频插
间隔式导频插入信道估计过程如图 2所示 。从经过 FFT后的接收数据中提取导频数据 Yp ( k) ,
然后根据式
( 4)估计出导频子信道的频率响应
^
Hp
( k) ,最后根据不同的插值算法由导频子信道的频
率响应
^
Hp
( k)估计出信道响应
^
H
(
k
)
。
在间隔式导频插入方式中 ,插值算法是很关键的 。下面简要介绍各个不同的插值算法 。
^
H ( k)
=A
(
l L
)
^
Hp
(m
)
+B
(
l L
)
^
Hp
(m
+ 1)
+C
(
l L
)
^
HP
n
(m
)
+D
(
l L
)
^
Hp
n
(m
+ 1)
(3)
其中 , A ( l /L ) , B ( l /L ) , C ( l /L ) , D ( l /L )分别是由 l /L 确定的常数 。 ( ) ″表示求二阶导数 。