MIMO—OFDM系統(tǒng)中的空時(shí)碼編碼技術(shù)

楊萃

摘 要：正交頻分復(fù)用是一種高效的多載波調(diào)制技術(shù)，可以用來對抗無線環(huán)境中的多徑衰落，減少碼間干擾。空時(shí)編碼是一種發(fā)射分集技術(shù)。該文主要研究了基于多天線正交頻分復(fù)用的空時(shí)分組碼和空頻分組碼的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及編譯碼方法。仿真結(jié)果表明，將空時(shí)編碼技術(shù)與多天線正交頻分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合能非常有效地抵抗頻率選擇性隨機(jī)衰落。

關(guān)鍵詞：多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO） 正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM） 空時(shí)分組碼（STBC） 空頻分組碼（SFBC）

中圖分類號：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（b）-0001-01

如何進(jìn)一步提高頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸率，滿足日益增長的多種無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求已成為B3G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一，而MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)的結(jié)合在解決這一問題上體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。目前，大量地把MIMO-OFDM技術(shù)應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)以提高系統(tǒng)性能的研究集中在如何在所有天線上分配子載波，使得基站根據(jù)信道狀態(tài)信息來選擇合適的子載波傳輸OFDM信號。通常將MIMO技術(shù)和OFDM結(jié)合有兩種方法：一種是利用多天線實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用，提高數(shù)據(jù)比特率；另一種是利用多天線實(shí)現(xiàn)空間分集，從而提高傳輸可靠性。基于MIMO-OFDM的STBC和SFBC能保證在頻率選擇性衰落信道中的分集增益，正逐漸成為熱點(diǎn)研究分支。

1 系統(tǒng)模型

考慮帶空分復(fù)用的MIMO-OFDM系統(tǒng)，分別有個發(fā)送天線和個接收天線。我們在發(fā)送端進(jìn)行天線選擇，從所有個發(fā)送天線中選擇個天線來發(fā)送OFDM信號，所以共有種可能的天線組合，假設(shè)在每個子載波上信道為平坦瑞利衰落的，這樣系統(tǒng)信道可以建模成的三維矩陣，為子載波數(shù)，且矩陣元素為服從均值為0，方差為1（實(shí)部和虛部的方差分別為1/2）的獨(dú)立同分布的復(fù)高斯變量。經(jīng)過天線選擇后，信道變?yōu)榈娜S矩陣，

在發(fā)送端，空分復(fù)用器首先把一組串行的信息比特流轉(zhuǎn)換成和選擇天線數(shù)相等的組并行的比特流，然后經(jīng)過快速付氏反變換（IFFT）并加循環(huán)前綴（CP）后在選擇出的個天線上發(fā)送，在接收端由個接收天線接收信號，經(jīng)過采樣、去循環(huán)前綴（RP）、付氏變換（FFT）和空分復(fù)用檢測器后得到最后的信息比特流。

2 空時(shí)分組碼編碼的OFDM

空時(shí)分組碼是利用正交的原理設(shè)計(jì)各發(fā)射天線上的發(fā)射信號格式，實(shí)際上是一種空間域和時(shí)間域聯(lián)合的正交分組編碼方式。在一定條件下，空時(shí)分組碼可以使接收端解碼后獲得滿分集增益，且保證譯碼運(yùn)算僅僅是簡單的線性合并，譯碼復(fù)雜度低。

考察一個具有K根發(fā)射天線M根接收天線的MIMO無線通信系統(tǒng)，信道為平坦衰落信道，不同發(fā)射接收天線對間的信道衰落相互獨(dú)立。在發(fā)射端，信息源比特流先被映射為復(fù)信號，然后串并轉(zhuǎn)換為M路子流在發(fā)射端并行發(fā)送，設(shè)在某時(shí)刻第m根發(fā)射天線發(fā)射的復(fù)信號基帶表示為，則在該時(shí)刻由所有發(fā)射天線的信號的復(fù)向量表示為。

空時(shí)分組碼的正交設(shè)計(jì)就是構(gòu)造矩陣X，使得X的列向量相互正交，即XTX=I。

OFDM的空時(shí)分組碼是以單個OFDM信號，即一串向量為元素進(jìn)行編碼的。表示在第n時(shí)刻待發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，表示傳輸信道矩陣，表示接收到的數(shù)據(jù)塊。在兩發(fā)一收的MIMO-OFDM 的空時(shí)分組碼系統(tǒng)中，一幀數(shù)據(jù)的每兩個相鄰的OFDM信號、被編碼，再經(jīng)過OFDM調(diào)制解調(diào)，得到、，最后將接收信號進(jìn)行最大似然譯碼，得到發(fā)射信號、的估計(jì)值。

空時(shí)編碼器每次對兩個鄰近的OFDM信號和進(jìn)行編碼并且發(fā)送：

Antenna #1：

Antenna #2：-

把記為，記為，記為，記為。我們用，來表示各個信道傳輸矩陣，并假定它們在一組空時(shí)碼內(nèi)不變或者變化很小。接收信號經(jīng)過解調(diào)得：

進(jìn)一步變換后得到的向量為：

3 仿真及性能分析

在該文中，仿真時(shí)的系統(tǒng)總帶寬為20 MHz，OFDM的子載波數(shù)為z1024，載頻為3.2 GHz，調(diào)制采用QPSK，信道模型為修正的Jakes模型，其中時(shí)延功率譜參數(shù)采用M.1225中的車載信道模型參數(shù)，采用理想信道估計(jì)，最大多普勒頻偏為355 Hz。各接收天線之間相互獨(dú)立，在空間域?qū)崿F(xiàn)接收分集，采用最大比合并方式。

基于OFDM的一發(fā)兩收和STBC、SFBC的兩發(fā)兩收性能仿真圖。兩根接收天線、誤碼率為10-3時(shí)，兩發(fā)兩收的空時(shí)分組碼比一根發(fā)射天線且未經(jīng)過編碼的性能改進(jìn)4 dB，兩發(fā)兩收的空時(shí)分組碼比兩發(fā)兩收的空頻分組碼性能提高了1 dB左右；誤碼率為10-4時(shí)，兩發(fā)兩收的空時(shí)分組碼比一根發(fā)射天線未經(jīng)過編碼的性能有5 dB左右的提高，兩發(fā)兩收的空時(shí)分組碼比兩發(fā)兩收的空頻分組碼性能改善了1 dB左右。由此可知，當(dāng)接收天線數(shù)N=2時(shí)，采用OFDM調(diào)制，再把信號進(jìn)行空時(shí)分組編碼或空頻分組編碼，其誤碼率有所下降，性能得到了改善。

4 結(jié)論

該文針對MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道特點(diǎn)，得出基于MIMO-OFDM的STBC和SFBC能保證在頻率選擇性衰落信道中的發(fā)射分集增益。同時(shí)，隨著接收天線的增多，空間域的接收分集增益提高。

參考文獻(xiàn)

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