MIMO-OFDM系統關鍵技術空時編碼的研究

東南大學信息科學與工程學院 曹 越

MIMO-OFDM系統關鍵技術空時編碼的研究

東南大學信息科學與工程學院 曹 越

分集技術在無線信道上的應用，適應了有限帶寬和功率資源。基于多輸入多輸出 (Multipe Input Multiple Output,MIMO) 的多天線系統的空時編碼技術（Space Time Code，STC）可以充分利用無線通信信道中的多徑，提高了無線鏈路的質量和譜效率，從而降低誤碼率、提高系統的可靠性。 本文在空時編碼技術的基礎上， 基于OFDM (正交頻分復用) 的多載波調制技術，提出一種STBC-OFDM（空時分組碼）的編碼改進方案，以期更高效利用頻譜資源。

空時編碼；正交頻分復用；空時分組碼

1.引言

無線通信系統中高質量、高速率傳輸，以及滿足語音信號處理、數字圖像處理等多媒體的綜合業務要求，并能夠實現全球無縫漫游及更高的傳輸及服務質量的要求對于通信行業發展有方向性的作用。為充分利用無線通信信道中的多徑，目前基于多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)的空時編碼技術在不增加帶寬且克服系統頻率選擇性衰落帶來的不良影響情況下來實現信號傳輸的高度可靠性，增加系統容量，提高頻譜利用率。在新一代移動通信技術中，也具有關鍵性作用的MIMO技術，充分開發空間資源，對未來移動同行行業發展，也具有導向性。

2.MIMO技術

MIMO(Multiple Input Multiple Output)多輸入多輸出系統是一項用于802.11n的通信技術，由馬可尼于1908年最早提出，利用多天線來抑制信道衰落。該技術在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，無需占用額外的無線電頻率的情況下，若發送與接收天線間的信道的沖激響應獨立，則會構成并行的空間信道以提供更高的數據吞吐量，利用多根發射天線與多根接收天線所提供之空間自由度來有效提升無線通信系統之頻譜效率來減少誤比特率，改善無線信號傳送質量，解決擴大覆蓋范圍、速度與可靠性等當今無線電技術面臨的困難。

圖1

除普通的單輸入多輸出SISO(Single Input Single Output)結構，MIMO還可以包括SIMO(Single Input Multiple Output)系統結構、MISO(Multiple Input Single Output)系統結構。MIMO能夠在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量，通過智能天線的信號處理技術、網絡系統結構、編碼調制等，是無線通信的重大突破。對于在發射端和接收端采用一根天線的傳輸SISO無線通信系統，難以實現新一代無線通信技術所需求的目標，因而MIMO系統通過增加信道容量來實現空間分集在空間域上獲得更大信道容量增益的性能需求，使得成倍性線性增長頻譜利用率。

3.OFDM技術

20世紀五六十年代，適合高速傳輸的基帶調制解調的OFDM技術被提出。對于大多非平坦的無線信道的頻率響應曲線，OFDM使得頻域內給定信道分成多個正交子信道，通過發送端串并轉換輸入的高速數據信號數據流成多個并行的低速子數據流，降低每個子載波的碼元速率，QPSK調制器調制各路并行的信號，由IFFT變換器進行IFFT運算，加入循環前綴和并串轉換使其構成OFDM發射符號進行窄帶傳輸，提高系統的抗衰落和抗干擾能力，提高了頻譜的利用率。在接收端，通過相反的處理獲取原始信息數據，信道狀態可以理想恢復。

一個完整的OFDM系統原理如圖2所示。

圖2

4.MIMO-OFDM 系統

MIMO-OFDM系統的實現主要包括信道估計、同步技術、MIMO空時信號處理技術、分集技術等的實現。

4.1 MIMO、OFDM系統組合的必要性

高速寬帶無線通信系統中，MIMO系統一定程度上可以利用傳播過程中產生的多徑分量來解決多徑效應會引起信號的衰落。OFDM是一種多載波窄帶調制，由于將寬帶信道轉化成平坦的窄帶子信道分量，使得分量信道信號帶寬小于信道的相關帶寬，有利于解決頻率選擇性衰落問題。信號傳輸過程中，頻率選擇性衰落、多徑效應、帶寬效率等因素決定傳輸效率和質量。OFDM技術利用需要增加載波的數量，增大系統的占用帶寬并復雜化系統，MIMO多天線技術不增加總體帶寬，窄帶平坦子信道可獲得更大信道容量，增加了頻譜利用率。兩種技術多輸入和多輸出天線和正交頻分復用調制結合，利用時間、空間和頻率3種分集技術，提高了分集增益和系統容量，增加了頻譜的利用率，能有效地對抗頻率選擇性衰弱使得MIMO-OFDM系統提供高速率數據傳輸，大大增加無線系統對噪聲、干擾、多徑的容限。

4.2 MIMO 空時信號處理技術

MIMO技術從時間和空間兩方面研究信號的處理問題。空時信號處理包括發射端的信令方案（空時編碼STC與空間復用SM）和接收端的檢測算法。

空時編碼主要分為空時網格碼（STTC）、空時塊編碼（STBC）、空時分層碼（LSTC）。空時網格碼可提供最大的編碼與分集增益且不損失帶寬效率，但復雜度隨著天線數和網格碼狀態數的增加成指數增加。空時分組碼通過正交設計原理，碼子各行各列之間滿足正交性，解碼采用最大似然檢測算法。分層空時碼層空時碼有對角分層空時碼D-BLAST、垂直分層空時碼V-BLAST兩種形式。空時編碼可降低符號錯誤率，但增加信號的冗余度，無法提高數據傳輸速率。

4.2.1 STBC-OFDM系統研究方法

為研究STBC-OFDM系統，討論具有代表性的兩個發射天線和一個接收天線系統。

傳輸過程中，設系統理想同步，信道柯西平穩。

編碼器的輸出為：

4.2.2 STBC-OFDM系統特性

圖3

基于上述模擬了兩發射天線單接收天線的STBC系統模型，由仿真結果圖3可以看出，相比于未經Alamouti空時編碼的OFDM系統性能，STBC-OFDM系統的誤碼性能明顯優越。信道總帶寬1MHz，發射端每256bit數據經過QPSK數字調制與空時編碼后，成為兩路128符號的序列，分別經過128個子載波的OFDM調制(128IFFT)， 每OFDM幀加入冗余前綴(32bit)。當誤碼率為10-3時，編碼后的STBCOFDM系統相對于未經空時編碼的OFDM系統所需信噪比下降了約4dB；當誤碼率在10-2時，編碼后的STBC-OFDM系統有約5dB的SNR信噪比增益，避免了STBC-OFDM系統的缺點。就此而言，空時編碼后的STBC-OFDM系統，兩路多徑信道相互獨立且平均功率同，衰落信道呈柯西平穩趨勢，性能隨接收天線數目的增加，因系統獲得的空間分集和頻率分集增益的增大，而變好。基于很校的變動而引起STBCOFDM系統性能增加的情況，此有點可在無線通信發展中較好的理論意義與應用前景。

5.結語

空時編碼應用于OFDM 通信系統后，由于正交性導頻設計可以降低接收端系統解碼復雜度， 整個無線通信系統性能，包括減少誤比特率，改善無線信號傳送質量，提高分集增益，克服頻率選擇性哀落等方面特性獲得很大的提高。MIMO技術與OFDM技術優化處理并結合，已成為第四代移動通信系統中的關鍵技術。MIMO-OFDM系統增加頻譜利用率，有效對抗頻率選擇性衰落且提高分集增和系統容量。空時編碼更是MIMO-OFDM系統先進技術中的關鍵技術。

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