MIMO-OFDM系统中的空时编码技术研究

　　0引言

　　近年来移动通信技术飞速发展，主要经历了3个发展阶段：从基于频分多址(FDMA)的模拟技术过渡到基于时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)的数字技术。目前第三代移动通信系统相比第二代移动通信系统而言，可以提供更宽的频带和更高的数据传输，传输速率可高达2 Mb／s，然而随着全球范围内移动用户数的迅猛增长和多媒体业务的发展，3G在通信系统容量和传输速率等方面将远远不能满足要求。在未来的宽带移动无线通信系统中，存在2个最严重的挑战：多径衰落和带宽效率。众所周知，多人多出(MIMO)技术和正交频分复用(OFDM)技术是下一代移动通信系统的核心技术，这是因为MIMO技术利用空间分集和发射分集技术在不增加系统带宽的前提下能够成倍地提高系统信道容量和传输速率，OFDM技术通过将频率选择性信道在频率内转变成平坦衰落信道，从而减少了多径衰落的影响。正是由于这些优点，这两种技术在下一代通信系统中备受青睐。

　　1 MIMO-OFDM系统

　　1.1 OFDM技术

　　正交频分复用的基本原理是把高速的数据刘通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输。在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各子信道独立地进行传输。如果每个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的，即每个子信道都可看作无符号间干扰(ISI)的理想信道。这样，在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。在OFDM系统中，通过在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，以及消除OFDM符号之间的干扰。OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：(1)频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。(2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。(3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。(4)通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。(5)基于离散傅里叶变换(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调，易用DSP实现。基于OFDM的多载波传输系统如下图1所示。

　　1.2 MIMO技术

　　MIMO(多输入多输出)是指利用多发射和多接收天线进行空间分集的技术，来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO系统，MIMO还可以包括SIMO系统和MISO系统。MIMO采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成许多并行的子信道，从而大大提高系统容量。信息论已经证明：当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。理论证明，信道容量随着天线数量的增加而线性增大，也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发射功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。另外，MIMO技术在提高信道容量的同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。MIMO系统框图如图2所示

　　1.3 MIMO-OFDM系统模型

　　可以看出，MIMO技术能提高系统容量，在一定程度上可以抗多径衰落，但是对于频率选择性衰落却无能为力。而OFDM技术可以高效利用频谱资源，有效抵抗频率选择性衰落。将MIMO和OFDM技术相结合，充分利用这两种技术优点，MIMO-OFDM技术将成为第四代移动通信系统中有效对抗频率选择性衰落，提高数据传输速率，增大系统容量的关键技术。MIMO-OFDM系统模型如下图3、4所示。

　　2空时编码技术

　　2.1基于发送分集的STBC空时编码

　　对于空时分组码，核心的评价标准是提供发射分集、编码码元发射率以及发射时隙的多少。发射天线的分集度取决于空时编码矩阵的设计方案，如要完全分集，则至少应保证编码矩阵是满秩的。如果配置了多根接收天线，则总的分集度是发射天线数量与接收天线数量的乘积。码元发射率是每单位码元周期内的发射码元的个数。发射时隙是空时编码的长度也就是指码元周期。设计空时编码的最一般的目的是在保持全分集发射的情况下，使码元发射率(速率)最大并且使发射时隙最小。

　　2.2基于空间复用的BLAST空时编码

　　分层空时码是由Bell实验室的G.J.Foschini等人提出的最早的一种空时编码方式。它的基本思想是：在发送端，将高速信源数据分为几个低速的子数据流，对各个子数据流进行普通的并行信道编码之后，进行分层空时编码，调制之后通过多个天线发送出去，从而达到分集发送的效果；在接收端，用多个天线分集接收，信道参数通过信道估计获得，进行分层空时译码。

　　2.3两种空时编码的优缺点比较

　　按照正交设计理论构造的分组空时码与分层空时码相比，它能够获得最大的分集增益，性能比分层空时码好。STBC的正交性支持接收端采用完全线性处理的最大似然独立解码，其解码复杂度大大降低。无论增加发射天线数还是增加频谱利用率都不会对解码复杂度有太大的影响，接收端的解码算法简单、复杂度低是STBC最大的优点。

　　虽然空时分组码的正交设计使得它的译码复杂度大大的降低，但是它的正交设计给它带来了两个问题：一是STBC的编码增益仅仅与所采用的信号星座图的结构有关，目前还没有很好的编码增益优化方法；二是采用一般实正交设计时，空时分组码的频带利用率可以达到最大，但采用复正交设计时，STBC的频带利用率只有最大值的一半。M=3，4时，可以达到最大值的3／4。可以说STBC是以编码增益和部分频带利用率来换取最大的分集增益和较低的编译码复杂度的。 3 MIMO-OFDM系统中的空时编码技术

　　空时编码具有频谱效率高，抗衰落能力强等优点，但目前提出的空时编码都是基于平坦衰落信道，而未来宽带移动通信所处的信道将是严重的非平坦衰落信道，因而还不能将空时编码直接运用到未来移动通信中去。

　　OFDM的最大优点是：传输高速数据时，具有内在的抗符号干扰能力，将宽带的非平坦信道转换为一组并行的平坦衰落子信道。OFDM的最大特点正好弥补了空时编码的最大缺点，为空时编码在后3G宽带移动通信系统中的应用找到了较为理想的解决方案。两者结合不但可以使系统获得更高的频谱效率，传输速率和通信质量，而且还能够大大减轻高速通信时将会遇到的均衡复杂性。

　　通常情况下，STC-OFDM是将输入的信息比特流经过调制后串并变换，对得到的k路数据(k，子载波个数)分别进行空时编码，每一路数据的编码结果都是N路输出信号(N，发射天线的个数)，这样就能得到k组包含N路信号的输出结果。然后，对这样的结果进行重新排列，如图5所示，就能得到每一组OFDM的输入信号。经过IFFT变换之后，从相应的天线上发射出去。也就是说，要在OFDM系统中使用空时码，就在每一个子载波上进行空时编码，然后再进行IFFT调制，接收端先进行FFT解调，再对每个子载波上的数据进行空时编码。