MIMO-OFDM系统关键技术空时编码的研究

东南大学信息科学与工程学院 曹 越

MIMO-OFDM系统关键技术空时编码的研究

东南大学信息科学与工程学院 曹 越

分集技术在无线信道上的应用，适应了有限带宽和功率资源。基于多输入多输出 (Multipe Input Multiple Output,MIMO) 的多天线系统的空时编码技术（Space Time Code，STC）可以充分利用无线通信信道中的多径，提高了无线链路的质量和谱效率，从而降低误码率、提高系统的可靠性。 本文在空时编码技术的基础上， 基于OFDM (正交频分复用) 的多载波调制技术，提出一种STBC-OFDM（空时分组码）的编码改进方案，以期更高效利用频谱资源。

空时编码；正交频分复用；空时分组码

1.引言

无线通信系统中高质量、高速率传输，以及满足语音信号处理、数字图像处理等多媒体的综合业务要求，并能够实现全球无缝漫游及更高的传输及服务质量的要求对于通信行业发展有方向性的作用。为充分利用无线通信信道中的多径，目前基于多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)的空时编码技术在不增加带宽且克服系统频率选择性衰落带来的不良影响情况下来实现信号传输的高度可靠性，增加系统容量，提高频谱利用率。在新一代移动通信技术中，也具有关键性作用的MIMO技术，充分开发空间资源，对未来移动同行行业发展，也具有导向性。

2.MIMO技术

MIMO(Multiple Input Multiple Output)多输入多输出系统是一项用于802.11n的通信技术，由马可尼于1908年最早提出，利用多天线来抑制信道衰落。该技术在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，无需占用额外的无线电频率的情况下，若发送与接收天线间的信道的冲激响应独立，则会构成并行的空间信道以提供更高的数据吞吐量，利用多根发射天线与多根接收天线所提供之空间自由度来有效提升无线通信系统之频谱效率来减少误比特率，改善无线信号传送质量，解决扩大覆盖范围、速度与可靠性等当今无线电技术面临的困难。

图1

除普通的单输入多输出SISO(Single Input Single Output)结构，MIMO还可以包括SIMO(Single Input Multiple Output)系统结构、MISO(Multiple Input Single Output)系统结构。MIMO能够在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量，通过智能天线的信号处理技术、网络系统结构、编码调制等，是无线通信的重大突破。对于在发射端和接收端采用一根天线的传输SISO无线通信系统，难以实现新一代无线通信技术所需求的目标，因而MIMO系统通过增加信道容量来实现空间分集在空间域上获得更大信道容量增益的性能需求，使得成倍性线性增长频谱利用率。

3.OFDM技术

20世纪五六十年代，适合高速传输的基带调制解调的OFDM技术被提出。对于大多非平坦的无线信道的频率响应曲线，OFDM使得频域内给定信道分成多个正交子信道，通过发送端串并转换输入的高速数据信号数据流成多个并行的低速子数据流，降低每个子载波的码元速率，QPSK调制器调制各路并行的信号，由IFFT变换器进行IFFT运算，加入循环前缀和并串转换使其构成OFDM发射符号进行窄带传输，提高系统的抗衰落和抗干扰能力，提高了频谱的利用率。在接收端，通过相反的处理获取原始信息数据，信道状态可以理想恢复。

一个完整的OFDM系统原理如图2所示。

图2

4.MIMO-OFDM 系统

MIMO-OFDM系统的实现主要包括信道估计、同步技术、MIMO空时信号处理技术、分集技术等的实现。

4.1 MIMO、OFDM系统组合的必要性

高速宽带无线通信系统中，MIMO系统一定程度上可以利用传播过程中产生的多径分量来解决多径效应会引起信号的衰落。OFDM是一种多载波窄带调制，由于将宽带信道转化成平坦的窄带子信道分量，使得分量信道信号带宽小于信道的相关带宽，有利于解决频率选择性衰落问题。信号传输过程中，频率选择性衰落、多径效应、带宽效率等因素决定传输效率和质量。OFDM技术利用需要增加载波的数量，增大系统的占用带宽并复杂化系统，MIMO多天线技术不增加总体带宽，窄带平坦子信道可获得更大信道容量，增加了频谱利用率。两种技术多输入和多输出天线和正交频分复用调制结合，利用时间、空间和频率3种分集技术，提高了分集增益和系统容量，增加了频谱的利用率，能有效地对抗频率选择性衰弱使得MIMO-OFDM系统提供高速率数据传输，大大增加无线系统对噪声、干扰、多径的容限。

4.2 MIMO 空时信号处理技术

MIMO技术从时间和空间两方面研究信号的处理问题。空时信号处理包括发射端的信令方案（空时编码STC与空间复用SM）和接收端的检测算法。

空时编码主要分为空时网格码（STTC）、空时块编码（STBC）、空时分层码（LSTC）。空时网格码可提供最大的编码与分集增益且不损失带宽效率，但复杂度随着天线数和网格码状态数的增加成指数增加。空时分组码通过正交设计原理，码子各行各列之间满足正交性，解码采用最大似然检测算法。分层空时码层空时码有对角分层空时码D-BLAST、垂直分层空时码V-BLAST两种形式。空时编码可降低符号错误率，但增加信号的冗余度，无法提高数据传输速率。

4.2.1 STBC-OFDM系统研究方法

为研究STBC-OFDM系统，讨论具有代表性的两个发射天线和一个接收天线系统。

传输过程中，设系统理想同步，信道柯西平稳。

编码器的输出为：

4.2.2 STBC-OFDM系统特性

图3

基于上述模拟了两发射天线单接收天线的STBC系统模型，由仿真结果图3可以看出，相比于未经Alamouti空时编码的OFDM系统性能，STBC-OFDM系统的误码性能明显优越。信道总带宽1MHz，发射端每256bit数据经过QPSK数字调制与空时编码后，成为两路128符号的序列，分别经过128个子载波的OFDM调制(128IFFT)， 每OFDM帧加入冗余前缀(32bit)。当误码率为10-3时，编码后的STBCOFDM系统相对于未经空时编码的OFDM系统所需信噪比下降了约4dB；当误码率在10-2时，编码后的STBC-OFDM系统有约5dB的SNR信噪比增益，避免了STBC-OFDM系统的缺点。就此而言，空时编码后的STBC-OFDM系统，两路多径信道相互独立且平均功率同，衰落信道呈柯西平稳趋势，性能随接收天线数目的增加，因系统获得的空间分集和频率分集增益的增大，而变好。基于很校的变动而引起STBCOFDM系统性能增加的情况，此有点可在无线通信发展中较好的理论意义与应用前景。

5.结语

空时编码应用于OFDM 通信系统后，由于正交性导频设计可以降低接收端系统解码复杂度， 整个无线通信系统性能，包括减少误比特率，改善无线信号传送质量，提高分集增益，克服频率选择性哀落等方面特性获得很大的提高。MIMO技术与OFDM技术优化处理并结合，已成为第四代移动通信系统中的关键技术。MIMO-OFDM系统增加频谱利用率，有效对抗频率选择性衰落且提高分集增和系统容量。空时编码更是MIMO-OFDM系统先进技术中的关键技术。

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