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摘要：本文提出了一种新的采用空时分组码的CDMA系统上行链路的结构。发射端每个用户对发送信号先进行扩频，再对扩频后的信号进行空时分组编码后送至发射天线。同时本文还相应提出了接收端对接收信号的处理方法。仿真结果表明，该结合空时分组码的CDMA系统的误码率优于一般CDMA系统的误码率。
关键词：空时分组码；发射分集；码分多址
A Novel Structure of Space-Time Block Codes in CDMA System
ZHAO Yan，HE Chen
(Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030,China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：A novel system structure of the uplink CDMA system combined with space-time block coding is considered. The transmitting signal is spread at the transmitting terminal, and is sent to the transmitting antennas after space-time block coder. Correspondingly a solution to the receiving signal in the receiver is presented. The numerical results show that the performance of the CDMA system combined with space-time block codes is better than that of the conventional CDMA system.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Space-time block codes ; Transmit diversity ; CDMA
一、引言
空时编码是无线通信的一种新的编码和信号处理技术，它使用多个发射和接收天线进行信息的发射与接收，可以大大改善无线通信系统的信息容量和信息率。Alamouti提出了2天线空时分组码[1]，传输率为1符号/秒且译码算法简单。Tarokh提出了空时分组码的正交设计准则[2]，分析了几种空时分组码的译码准则及性能[3]，并给出了空时分组码在Rayleigh慢衰落环境下一种信道估计方法[4]。
由于空时分组码相对于空时码具有译码简单的特点，在 CDMA系统的应用有较好的前景。Y.Zhang等人分析了结合空时分组码的CDMA下行链路干扰对消的问题[5]，给出了结合空时分组码的CDMA下行链路的两种解决方案[6，7]。最近，M.Damen提出了对上行链路的一种处理方法[8]，但由于它对用户发出的信号先进行空时编码，再扩频送至发射天线，所以每个用户需要的扩频码字与发射天线相同。
在本文中，我们提出了一种新的采用空时分组码的CDMA系统上行链路的结构。发射端每个用户对发送信号先进行扩频，再对扩频后的信号进行空时分组编码后送至发射天线，同时本文还相应提出了接收端对接收信号的处理方法。相对于文献[8]提出的方法，本方法具有需要较少的扩频码的优点。同时，该结合空时分组码的CDMA系统的误码率性能优于一般CDMA系统的误码率性能。
在本文中，矩阵(大写形式)和矢量(小写形式)均用黑体表示，符号(·)*，(·)H和(·)T分别表示复共轭、共轭转置和转置，符号I表示单位阵。
二、空时分组码
1.空时编码的基础知识
将空时分组编码器的输入字符分为两组，每组为两个字符。在一个给定的字符间隔内，每组中的两个字符{x1,x2}同时被发射：从天线1发射的信号为x1，从天线2发射的信号为x2。在下一个字符间 （图片） 式中v1和v2分别代表均值为0，功率谱密度为N0/2的加性高斯白噪声。定义接收信号向量r=（图片） 2.空时编码的系统模型
假设无线通信系统有N个发射天线，M个接收天线。在时刻t，第i个发射天线的发射信号为sit，其平均能量为Es。在相同的时间间隔内，N个调制信号同时从N个发射天线上发射。则在时刻t，第j个接收天线的接收信号为（图片） 其中，hi,j为第i个发射天线到第j个接收天线的信道衰落系数，njt为时刻t加在第j个接收天线的噪声。
假设hi,j(i=1,…,N,j=1,…,M)是均值为零、方差为0.5的高斯随机变量，njt是均值为0、方差为N0/2的复高斯随机变量，假设衰落系数在一帧内保持不变，且帧与帧之间的衰落系数相互独立。假设接收端有完整的信道状态信息，则接收机对所有可（图片） 三、空时分组码在CDMA系统上行链路的应用
如图1所示,考虑一个结合空时分组码的K用户同步CDMA系统，每个移动用户有N个发射天线，基站接收机有M个接收天线。用户k待传输的二进制数据为αk,k=1…,K，则每个符号间隔内K个用户传送的数据定义为a=[α1,…,αk]T，设扩频码为ck=[ck(0),…,ck(L-1)]T，码片数为L。所有数据先扩频后再经过一个空时编码器，空时编码器采用BPSK星座图。则扩频后的信号为（图片） 为了简化公式，以下取N＝2进行分析，N>2的情况与之相似。（图片） 图1右侧所示为位于基站的接收机结构图。接收天线收到的信号先进入信道估计器，从中估计信道的衰落系数，然后进入空时译码器和匹配滤波器组，最后进入解相关检测器以消除多址干扰，其输出进入分集合并器，最终得到估计的传输信息。
接收天线收到的信号以码片间隔进行采样，则第i个天线前两个码片间隔内的接收信号可以表示为（图片） 天线到第i个接收天线的衰减系数。接收到L个抽样信号后，设第i个接收天线的接收信号向量为（图片） 白噪声。第k个用户的发射天线到第i个接收天线的信道矩阵为（图片） 式中i=1,2,…M。假设信道为平坦慢衰落Rayleigh信道，衰落系数在一帧数据内保持不变，信道估计器可以准确地估计出信道的衰落系数。利用式(9)和式(10)可以将式(8)改写为（图片） 将ri通过空时译码器和匹配滤波器后的信号定义为yi，因为对用户k而言，空时译码器与匹配滤（图片） 由于存在着多址干扰，所以FiHFi不是对角阵，为了消除这种多址干扰，需要在匹配滤波器组后加一个矩阵滤波器进行解相关检测。其传递函数为（图片） 四、数据仿真结果
通常，比特误码率(BER)被作为通信系统的主要性能指标。以下仿真中，结合空时分组码的CDMA系统取N=2，M＝1或2，作为对比一般CDMA系统取N＝1，M＝1。各个用户具有相同的能量，扩频码选为L＝16的哈达码。利用谐波分解技术实现Rayleigh慢衰落信道仿真，并假设不同发送天线抵达接收天线上的信号经历独立的衰落，假设接收端可以准确的估计信道衰落系数。
不失一般性，只考虑对用户1的检测。图2显示的是在用户数为6、接收端用户1的误码率。从图中可以看出在不同信噪比的条件下，应用空时分组码的系统的误码率比一般系统的误码率小。同时可以看出当接收天线数M>1时，在接收端采用分集合并技术也可以提高系统的性能。（图片） （图片） 图3所示为在固定信噪比SNR＝15时系统中用户数与误码率的关系。可以看出由于系统消除了多址干扰，所以随着用户数的增多，系统的误码率基本保持不变。同时也可以看出应用空时分组码的系统的性能优于一般系统。
五、结论
本文提出了一种新的采用空时分组码的CDMA系统上行链路的结构。发射端每个用户对发送信号先进行扩频，再对扩频后的信号进行空时分组编码后送到发射天线。同时本文还相应提出了接收端对接收信号的处理方法。与已有的方法相比，本文提出的方法具有仅需较少的扩频码的优点。仿真结果表明，在各种信噪比条件以及不同的用户数条件下，该结合空时分组码的CDMA系统的误码率要优于一般CDMA系统的误码率。可以预测，随着多天线技术的发展，当在用户端使用多天线没有技术障碍时，空时分组码在通信系统的上行链路的应用将有很大的价值。
参考文献
[1]Alamouti S M. A simple transmit diversity technique for wireless communications[J]. IEEE J. Select. Areas Commun,1998, 16(8):1451~1458.
[2]Tarokh V,Jafarkhani H,Calderbank R.Space-time block codes from orthogonal design[J]. IIEEE Trans. Inform. Theory, 1999 ,45(5):1456～1467.
[3]Tarokh V, Jafarkhani H, Calderbank R.Space-time block coding for wireless communications: performance results[J]. IEEE J. Select. Areas Commun.,1999,17(3):451~460.
[4]Tarokh V, Alamouti S M, Poon P. New detection schemes for transmit diversity with no channel estimation[Ａ]. IProc. IEEE Int. Conf. Universal Personal Communications(ICUPC'98)[Ｃ]. USA,1998.917～920.
[5]Yimin Zhang, Amin M G, Lindsey A R, Y,et al. Downlink CDMA Systems with space-time codes and interference cancellation[A]. Proc. Third IEEE SPAWC-01[Ｃ].Taiwan：Taoyuan, 2001.251～254.
[6]Yumin Zhang, Blum R S. Multistage multiuser detection for CDMA with space-time coding[Ａ]. IProc. Tenth IEEE Workshop on Statistical Signal and Array Processing[Ｃ].2000.1～5.
[7]Benjamin KNg , Elvino S.Sousa. A novel spread space-spectrum multiple access scheme for the forward link[Ａ]. IProc. IEEE Wireless Comm. and Net. Conf.-WCNC2002[Ｃ]. 2002 .723～727.
[8]Damen M O, Safavi A, Abed-Meraim K. On CDMA with space-time codes over multipath fading channels[J]. IEEE Trans. Wireless Commun, 2003, 2(1):11～19.
10/21/2005
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