MIMO無線通信系統中的空時分組編碼研究

申礫

摘 要：隨著科學技術的不斷發展，無線通信領域取得了長足進步，特別是多輸入多輸出技術的廣泛應用，使得空間資源得到了進一步的交互與共享，在提高資源利用率的同時，也使得高頻譜的使用頻率以及整個無線通信網絡鏈路的可靠性隨之提升，有力地推動了社會進步。在此過程中，空時分組編碼方法則成為了提高多輸入多輸出無線通信系統傳輸效率的關鍵，也是當前國內外專家學者研究的熱門議題之一。為此，該文將針對MIMO無線通信系統中的空時分組編碼展開深入分析，以此來為無線通信技術發展略盡綿薄之力。

關鍵詞：多輸入多輸出 無線通信系統 空時分組編碼方法

中圖分類號：TN919.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0036-02

就目前研究進展而言，MIMO無線通信仍然是一個全新的、富有極強挑戰力的研究領域。特別是該技術能夠在散射條件下不依賴增加帶寬以及發射機功率來實現提高無線通信系統通信效率的目的，并且可以在諸多不利影響因素下保障通信信道的暢通，使得數據資源得到了有效的共享與應用。然而，在其核心的空時分組編碼研究工作中仍然沒有取得突破性進展，在一定程度上影響了MIMO無線通信系統的應用范圍。為此，該文首先對MIMO無線通信系統中的空時分組編碼作一概述以全面了解空時分組編碼。隨后則是就MIMO無線通信系統中的空時分組編碼方法展開深入分析，繼而進一步豐富當前研究體系內容。

1 MIMO無線通信系統中的空時分組編碼概述

1.1 MIMO無線通信系統中的空時分組編碼概念

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術中核心關鍵為空時編碼，而空時分組編碼（Space Time Block Coding，STBC）則是空時編碼中最重要、應用范圍最廣、技術水平最高的編碼方法之一[1]。空時編碼主要是依據碼字正交設計原理構建出來空時碼字，以此來滿足各行各列之間的碼字能夠實現有效的正交。由于采取此種構建方法后的碼字具有較為明顯的正交性特征，因而在無線通信系統接收空間數據及信息過程中只需要利用最大似然檢測算法對接收到的數據信息進行解碼并進行簡單的線性處理即可掌握其中所包含的內容。

1.2 MIMO無線通信系統中的空時分組編碼優點

通過分析當前收集到的既有研究成果并結合所學知識可知，空時分組編碼具有以下幾方面優勢之處：

首先，空時分組編碼能夠有效抵抗電磁波衰落，保證通信信號維持在一個穩定狀態。衰落主要是指電磁波在遠距離傳遞過程中由于傳播介質、途徑的改變而導致無線通信系統所接收到的信號出現時強時弱變化，此種現象被稱之為衰落。加之無線通信系統無法采取自動增益控制的方式進行衰落的彌補，由此導致電磁波的衰落深度可以達到數十分貝。而采取空時分組編碼方法利用二到三副天線對無線通信系統所發生出的電磁波進行分別通信，則能夠在盡可能的情況下保持通信頻率的一致[2]。眾所周知，衰落對頻率具有明顯的選擇性，如果電磁波信號場強起伏明顯，則其頻率變化也將會隨之增強。反之，則無法引起頻率畸變，最終實現強化通信能力的目的。所以，通過空時分組編碼可以起到抵抗電磁波衰落的正面積極作用。

其次，空時分組編碼可以在不犧牲帶寬情形下獲得理想的編碼增益。盡管我國無線通信技術得到了長足進步，但是相較于歐美發達國家而言，仍然存在著一定程度的差距，其主要表現在了帶寬上。以韓國為例，其帶寬速率平均為13.8Mb，而我國則僅為5.1Mb。此種情形下無線通信必然會受到嚴重不利影響。空時分組編碼則采取了多發射多接收的空間分集方式大幅提升了無線通信系統的容量，加之通信信號在不同時隙內復用發射，能夠滿足高速語音業務、數據傳輸業務的實時通信所需，其編碼增益效果更加明顯[3]。

2 MIMO無線通信系統中的空時分組編碼方法

目前MIMO無線通信系統中的空時分組編碼方法中應用范圍以及研究成果主要集中在四發射天線準正交空時分組編碼方法上，因而本文所研究的編碼方法將以此為主，探討其具體編碼方法以及效果。

四發射天線準正交空時分組編碼方法的出現，使得無線通信系統中電磁波信號的譯碼工作難度大幅降低，由于復共軛已經被工作人員所牢記，因而在該系統應用過程中能夠依據其相對應的碼字進行信息的轉換，從而促使分級增益取得了比較理想的效果。

隨著研究的不斷深入，四發射天線準正交空時分組編碼方法為了能夠確保數據信息能夠以全速率進行傳輸，國外專家學者對其編碼方法以及編碼單元進行了進一步創新，即：采取了兩個全新的編碼單元和。其各自包含的內容如下所示：

在設計出兩個全新的編碼單元后，其發射矩陣相應發生改變，得到了一個全新的編碼矩陣，如下所示：

當編碼矩陣在4個時間間隔之內利用無線通信系統將編碼信號傳輸出去之后，其編碼效率依據公式計算可知，在和均為4的條件下的數值為1，四發射天線準正交空時分組編碼速率實現了滿速率運行。但是，不容忽視的是，四發射天線準正交空時分組編碼方法之所以被稱之為準正交空時分組編碼，其原因則是在于整個MIMO無線通信系統在正常工作中所有碼字并非完全正交，換而言之，此種編碼方式是以犧牲部分碼字正交性的前提下實現了全速率運行[4]。編碼矩陣中第1行僅僅是與第3行和第4行實現了正交，而與第2行并不構成正交關系。以此類推，該式中第3行與第1行、2行形成了正交關系，但是與第4行則為非正交關系。由此可以得出中第1行、第2行二者之間所構成的子空間同第3行、第4行形成的子空間實現正交，最終實現增加準正交空時分組編碼能夠使用碼字數量[5]。

3 結語

綜上所述，空時編碼技術通過利用多根天線來進行電磁波信號的傳遞，使得無線系統頻帶利用率得到了大幅提升，有力地推動了無線通信工作的進一步發展。同時，空時編碼技術作為一種全新的信道編碼技術，其所擁有的應用價值將會隨著時代發展以及研究的不斷開展而得到更多的關注，因而，其在MIMO無線通信系統中所發揮的最大化挖掘空間資源利用率、滿速率傳輸數據信息的作用將會日益凸顯。希望該文所展開的研究能夠為其他學者研究提供借鑒幫助并豐富當前研究體系內容。

參考文獻

[1] 張娜，李芳.MIMO無線光通信中分層空時編碼研究[J].自動化與儀器儀表，2015，12（5）：165-166.

[2] 苑隆寅，黎志.多天線MIMO技術在海面通信容量應用中的解決方案[J].艦船科學技術，2015，10（2）：220-223.

[3] 蔣涉權，王晶，彭超.MIMO系統中空時編碼性能仿真和分析[J].電信科學，2015，21（2）：35-41.

[4] 錢國兵，李立萍，郭亨藝.多入單出正交空時分組碼系統的調制識別[J].電子與信息學報，2015，33（4）：863-867.

[5] 張雅媛，彭端，王玄.基于MIMOSC-FDMA系統的多級迭代干擾消除定時同步算法研究[J].廣東通信技術，2015，19（2）：65-69.