東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 曹 越

MIMO-OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)空時(shí)編碼的研究

東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 曹 越

分集技術(shù)在無(wú)線信道上的應(yīng)用，適應(yīng)了有限帶寬和功率資源?；诙噍斎攵噍敵?(Multipe Input Multiple Output,MIMO) 的多天線系統(tǒng)的空時(shí)編碼技術(shù)（Space Time Code，STC）可以充分利用無(wú)線通信信道中的多徑，提高了無(wú)線鏈路的質(zhì)量和譜效率，從而降低誤碼率、提高系統(tǒng)的可靠性。 本文在空時(shí)編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上， 基于OFDM (正交頻分復(fù)用) 的多載波調(diào)制技術(shù)，提出一種STBC-OFDM（空時(shí)分組碼）的編碼改進(jìn)方案，以期更高效利用頻譜資源。

空時(shí)編碼；正交頻分復(fù)用；空時(shí)分組碼

1.引言

無(wú)線通信系統(tǒng)中高質(zhì)量、高速率傳輸，以及滿足語(yǔ)音信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理等多媒體的綜合業(yè)務(wù)要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)全球無(wú)縫漫游及更高的傳輸及服務(wù)質(zhì)量的要求對(duì)于通信行業(yè)發(fā)展有方向性的作用。為充分利用無(wú)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(shí)編碼技術(shù)在不增加帶寬且克服系統(tǒng)頻率選擇性衰落帶來(lái)的不良影響情況下來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)母叨瓤煽啃?，增加系統(tǒng)容量，提高頻譜利用率。在新一代移動(dòng)通信技術(shù)中，也具有關(guān)鍵性作用的MIMO技術(shù)，充分開發(fā)空間資源，對(duì)未來(lái)移動(dòng)同行行業(yè)發(fā)展，也具有導(dǎo)向性。

2.MIMO技術(shù)

MIMO(Multiple Input Multiple Output)多輸入多輸出系統(tǒng)是一項(xiàng)用于802.11n的通信技術(shù)，由馬可尼于1908年最早提出，利用多天線來(lái)抑制信道衰落。該技術(shù)在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，無(wú)需占用額外的無(wú)線電頻率的情況下，若發(fā)送與接收天線間的信道的沖激響應(yīng)獨(dú)立，則會(huì)構(gòu)成并行的空間信道以提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量，利用多根發(fā)射天線與多根接收天線所提供之空間自由度來(lái)有效提升無(wú)線通信系統(tǒng)之頻譜效率來(lái)減少誤比特率，改善無(wú)線信號(hào)傳送質(zhì)量，解決擴(kuò)大覆蓋范圍、速度與可靠性等當(dāng)今無(wú)線電技術(shù)面臨的困難。

圖1

除普通的單輸入多輸出SISO(Single Input Single Output)結(jié)構(gòu)，MIMO還可以包括SIMO(Single Input Multiple Output)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、MISO(Multiple Input Single Output)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。MIMO能夠在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量，通過智能天線的信號(hào)處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編碼調(diào)制等，是無(wú)線通信的重大突破。對(duì)于在發(fā)射端和接收端采用一根天線的傳輸SISO無(wú)線通信系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)新一代無(wú)線通信技術(shù)所需求的目標(biāo)，因而MIMO系統(tǒng)通過增加信道容量來(lái)實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)頻譜利用率。

3.OFDM技術(shù)

20世紀(jì)五六十年代，適合高速傳輸?shù)幕鶐д{(diào)制解調(diào)的OFDM技術(shù)被提出。對(duì)于大多非平坦的無(wú)線信道的頻率響應(yīng)曲線，OFDM使得頻域內(nèi)給定信道分成多個(gè)正交子信道，通過發(fā)送端串并轉(zhuǎn)換輸入的高速數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)流成多個(gè)并行的低速子數(shù)據(jù)流，降低每個(gè)子載波的碼元速率，QPSK調(diào)制器調(diào)制各路并行的信號(hào)，由IFFT變換器進(jìn)行IFFT運(yùn)算，加入循環(huán)前綴和并串轉(zhuǎn)換使其構(gòu)成OFDM發(fā)射符號(hào)進(jìn)行窄帶傳輸，提高系統(tǒng)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(shù)據(jù)，信道狀態(tài)可以理想恢復(fù)。

一個(gè)完整的OFDM系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2

4.MIMO-OFDM 系統(tǒng)

MIMO-OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要包括信道估計(jì)、同步技術(shù)、MIMO空時(shí)信號(hào)處理技術(shù)、分集技術(shù)等的實(shí)現(xiàn)。

4.1 MIMO、OFDM系統(tǒng)組合的必要性

高速寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中，MIMO系統(tǒng)一定程度上可以利用傳播過程中產(chǎn)生的多徑分量來(lái)解決多徑效應(yīng)會(huì)引起信號(hào)的衰落。OFDM是一種多載波窄帶調(diào)制，由于將寬帶信道轉(zhuǎn)化成平坦的窄帶子信道分量，使得分量信道信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，有利于解決頻率選擇性衰落問題。信號(hào)傳輸過程中，頻率選擇性衰落、多徑效應(yīng)、帶寬效率等因素決定傳輸效率和質(zhì)量。OFDM技術(shù)利用需要增加載波的數(shù)量，增大系統(tǒng)的占用帶寬并復(fù)雜化系統(tǒng)，MIMO多天線技術(shù)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(shù)多輸入和多輸出天線和正交頻分復(fù)用調(diào)制結(jié)合，利用時(shí)間、空間和頻率3種分集技術(shù)，提高了分集增益和系統(tǒng)容量，增加了頻譜的利用率，能有效地對(duì)抗頻率選擇性衰弱使得MIMO-OFDM系統(tǒng)提供高速率數(shù)據(jù)傳輸，大大增加無(wú)線系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑的容限。

4.2 MIMO 空時(shí)信號(hào)處理技術(shù)

MIMO技術(shù)從時(shí)間和空間兩方面研究信號(hào)的處理問題?？諘r(shí)信號(hào)處理包括發(fā)射端的信令方案（空時(shí)編碼STC與空間復(fù)用SM）和接收端的檢測(cè)算法。

空時(shí)編碼主要分為空時(shí)網(wǎng)格碼（STTC）、空時(shí)塊編碼（STBC）、空時(shí)分層碼（LSTC）。空時(shí)網(wǎng)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(fù)雜度隨著天線數(shù)和網(wǎng)格碼狀態(tài)數(shù)的增加成指數(shù)增加?？諘r(shí)分組碼通過正交設(shè)計(jì)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(cè)算法。分層空時(shí)碼層空時(shí)碼有對(duì)角分層空時(shí)碼D-BLAST、垂直分層空時(shí)碼V-BLAST兩種形式?？諘r(shí)編碼可降低符號(hào)錯(cuò)誤率，但增加信號(hào)的冗余度，無(wú)法提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

4.2.1 STBC-OFDM系統(tǒng)研究方法

為研究STBC-OFDM系統(tǒng)，討論具有代表性的兩個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線系統(tǒng)。

傳輸過程中，設(shè)系統(tǒng)理想同步，信道柯西平穩(wěn)。

編碼器的輸出為：

4.2.2 STBC-OFDM系統(tǒng)特性

圖3

基于上述模擬了兩發(fā)射天線單接收天線的STBC系統(tǒng)模型，由仿真結(jié)果圖3可以看出，相比于未經(jīng)Alamouti空時(shí)編碼的OFDM系統(tǒng)性能，STBC-OFDM系統(tǒng)的誤碼性能明顯優(yōu)越。信道總帶寬1MHz，發(fā)射端每256bit數(shù)據(jù)經(jīng)過QPSK數(shù)字調(diào)制與空時(shí)編碼后，成為兩路128符號(hào)的序列，分別經(jīng)過128個(gè)子載波的OFDM調(diào)制(128IFFT)， 每OFDM幀加入冗余前綴(32bit)。當(dāng)誤碼率為10-3時(shí)，編碼后的STBCOFDM系統(tǒng)相對(duì)于未經(jīng)空時(shí)編碼的OFDM系統(tǒng)所需信噪比下降了約4dB；當(dāng)誤碼率在10-2時(shí)，編碼后的STBC-OFDM系統(tǒng)有約5dB的SNR信噪比增益，避免了STBC-OFDM系統(tǒng)的缺點(diǎn)。就此而言，空時(shí)編碼后的STBC-OFDM系統(tǒng)，兩路多徑信道相互獨(dú)立且平均功率同，衰落信道呈柯西平穩(wěn)趨勢(shì)，性能隨接收天線數(shù)目的增加，因系統(tǒng)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(dòng)而引起STBCOFDM系統(tǒng)性能增加的情況，此有點(diǎn)可在無(wú)線通信發(fā)展中較好的理論意義與應(yīng)用前景。

5.結(jié)語(yǔ)

空時(shí)編碼應(yīng)用于OFDM 通信系統(tǒng)后，由于正交性導(dǎo)頻設(shè)計(jì)可以降低接收端系統(tǒng)解碼復(fù)雜度， 整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)性能，包括減少誤比特率，改善無(wú)線信號(hào)傳送質(zhì)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(shù)與OFDM技術(shù)優(yōu)化處理并結(jié)合，已成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO-OFDM系統(tǒng)增加頻譜利用率，有效對(duì)抗頻率選擇性衰落且提高分集增和系統(tǒng)容量?？諘r(shí)編碼更是MIMO-OFDM系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。

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