MIMO—OFDM系統(tǒng)中的空時碼編碼技術

楊萃

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

關鍵詞：多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO） 正交頻分復用技術（OFDM） 空時分組碼（STBC） 空頻分組碼（SFBC）

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

如何進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)務要求已成為B3G無線通信系統(tǒng)的關鍵問題之一，而MIMO技術和OFDM技術的結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技術應用在無線通信系統(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技術和OFDM結合有兩種方法：一種是利用多天線實現(xiàn)空分復用，提高數(shù)據(jù)比特率；另一種是利用多天線實現(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，正逐漸成為熱點研究分支。

1 系統(tǒng)模型

考慮帶空分復用的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（實部和虛部的方差分別為1/2）的獨立同分布的復高斯變量。經過天線選擇后，信道變?yōu)榈娜S矩陣，

在發(fā)送端，空分復用器首先把一組串行的信息比特流轉換成和選擇天線數(shù)相等的組并行的比特流，然后經過快速付氏反變換（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，經過采樣、去循環(huán)前綴（RP）、付氏變換（FFT）和空分復用檢測器后得到最后的信息比特流。

2 空時分組碼編碼的OFDM

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

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立。在發(fā)射端，信息源比特流先被映射為復信號，然后串并轉換為M路子流在發(fā)射端并行發(fā)送，設在某時刻第m根發(fā)射天線發(fā)射的復信號基帶表示為，則在該時刻由所有發(fā)射天線的信號的復向量表示為。

空時分組碼的正交設計就是構造矩陣X，使得X的列向量相互正交，即XTX=I。

OFDM的空時分組碼是以單個OFDM信號，即一串向量為元素進行編碼的。表示在第n時刻待發(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，再經過OFDM調制解調，得到、，最后將接收信號進行最大似然譯碼，得到發(fā)射信號、的估計值。

空時編碼器每次對兩個鄰近的OFDM信號和進行編碼并且發(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碼內不變或者變化很小。接收信號經過解調得：

進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，調制采用QPSK，信道模型為修正的Jakes模型，其中時延功率譜參數(shù)采用M.1225中的車載信道模型參數(shù)，采用理想信道估計，最大多普勒頻偏為355 Hz。各接收天線之間相互獨立，在空間域實現(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，兩發(fā)兩收的空時分組碼比一根發(fā)射天線且未經過編碼的性能改進4 dB，兩發(fā)兩收的空時分組碼比兩發(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，兩發(fā)兩收的空時分組碼比一根發(fā)射天線未經過編碼的性能有5 dB左右的提高，兩發(fā)兩收的空時分組碼比兩發(fā)兩收的空頻分組碼性能改善了1 dB左右。由此可知，當接收天線數(shù)N=2時，采用OFDM調制，再把信號進行空時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 結論

該文針對MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道特點，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，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

[1] Ye Li.Simplified Channel Estimation for OFDM Systems With Multiple Transmit Antennas[J].IEEE Trans commun，Vol.1，No.1.67-75，Jan，2002.

[2] Sinem Coleri，Mustafa Ergen，Annj Puri， et al.Channel Estimation Techniques Based on Pilot Arrangement in OFDM Systems[J].IEEE Trans commun，Vol.48，No.3，223-229，Sep，2002.