MIMO—OFDM系統(tǒng)中的空時(shí)編碼技術(shù)的仿真研究

摘要：介紹了MIMO技術(shù)，OFDM的基本原理，利用兩者的優(yōu)點(diǎn)將其結(jié)合起來運(yùn)用到未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中，并將成為未來移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)。空時(shí)編碼技術(shù)在MIMO-OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過仿真表明0FDM技術(shù)通過FFT變換能將頻率選擇性的多徑衰落信道分成多個(gè)平坦衰落信道，使空時(shí)編碼技術(shù)的應(yīng)用不再受到平坦信道條件的限制。
關(guān)鍵詞：MIMO；OFDM；MIMO-0FDM；STBC；空時(shí)編碼

0 引言
    近年來移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展，主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：從基于頻分多址(FDMA)的模擬技術(shù)過渡到基于時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)的數(shù)字技術(shù)。目前第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，可以提供更寬的頻帶和更高的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率可高達(dá)2Mb／s，然而隨著全球范圍內(nèi)移動(dòng)用戶數(shù)的迅猛增長和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，3G在通信系統(tǒng)容量和傳輸速率等方面將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。在未來的寬帶移動(dòng)無線通信系統(tǒng)中，存在兩個(gè)最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)：多徑衰落和帶寬效率。眾所周知，多入多出(MIM0)技術(shù)和正交頻分復(fù)用(0FDM)技術(shù)是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，這：是因?yàn)镸IM0技術(shù)利用空間分集和發(fā)射分集技術(shù)在不增加系統(tǒng)帶寬的前提下能夠成倍地提高系統(tǒng)信道容量和傳輸速率，0FDM技術(shù)通過將頻率選擇性信道在頻率內(nèi)轉(zhuǎn)變成平坦衰落信道，從而減少了多徑衰落的影響。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，這兩種技術(shù)在下一代通信系統(tǒng)中備受青睞。

l MIMO一0FDM系統(tǒng)
1．1 OFDM技術(shù)
    正交頻分復(fù)用的基本原理是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。在頻域內(nèi)將信道劃分為若干互相正交的子信道，每個(gè)子信道均擁有自己的載波分別進(jìn)行調(diào)制，信號(hào)通過各子信道獨(dú)立地進(jìn)行傳輸。如果每個(gè)子信道的帶寬被劃分得足夠窄，每個(gè)子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的，即每個(gè)子信道都可看作無符號(hào)間干擾(ISl)的理想信道。這樣，在接收端不需要使用復(fù)雜的信道均衡技術(shù)即可對(duì)接收信號(hào)可靠地進(jìn)行解調(diào)。在OFDM系統(tǒng)中，通過在0FDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔來保證頻域子信道之間的正交性，以及消除0FDM符號(hào)之間的干擾。0FDM技術(shù)之所以越來越受關(guān)注，是因?yàn)?FDM有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。②抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。③采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。④通過各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。⑤基于離散傅里葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT來實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用DSP實(shí)現(xiàn)?；?FDM的多載波傳輸系統(tǒng)如下圖l所示。

1．2 MIMO技術(shù)
    MIMO(多輸入多輸出)是指利用多發(fā)射和多接收天線進(jìn)行空間分集的技術(shù)，來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO系統(tǒng)，MIM0還可以包括SIMO系統(tǒng)和MISO系統(tǒng)。MIMO采用的是分立式多天線，能夠有效地將通信鏈路分解成許多并行的子信道，從而大大提高系統(tǒng)容量。信息論已經(jīng)證明：當(dāng)不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時(shí)，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。理論證明，信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增大，也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。另外，MIMO技術(shù)在提高信道容量的同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIM0信道提供的空間分集增益。MIM0系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1．3 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型
    可以看出，MIMO技術(shù)能提高系統(tǒng)容量，在一定程度上可以抗多徑衰落，但是對(duì)于頻率選擇性衰落卻無能為力。而OFDM技術(shù)可以高效利用頻譜資源，有效抵抗頻率選擇性衰落。將MIMO和0FDM技術(shù)相結(jié)合，充分利用這兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，MIMO-OFDM技術(shù)將成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中有效對(duì)抗頻率選擇性衰落，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，增大系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO-OFDM系統(tǒng)模型如下圖所示。

2 MIMO—OFDM系統(tǒng)中的空時(shí)編碼技術(shù)
    空時(shí)編碼具有頻譜效率高，抗衰落能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但目前提出的空時(shí)編碼都是基于平坦衰落信道，而未來寬帶移動(dòng)通信所處的信道將是嚴(yán)重的非平坦衰落信道，因而還不能將空時(shí)編碼直接運(yùn)用到未來移動(dòng)通信中去。
    0FDM的最大優(yōu)點(diǎn)是：傳輸高速數(shù)據(jù)時(shí)，具有內(nèi)在的抗符號(hào)干擾能力，將寬帶的非平坦信道轉(zhuǎn)換為一組并行的平坦衰落子信道。OFDM的最大特點(diǎn)正好彌補(bǔ)了空時(shí)編碼的最大缺點(diǎn)，為空時(shí)編碼在后3G寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用找到了較為理想的解決方案。兩者結(jié)合不但可以使系統(tǒng)獲得更高的頻譜效率，傳輸速率和通信質(zhì)量，而且還能夠大大減輕高速通信時(shí)將會(huì)遇到的均衡復(fù)雜性。
2．1 STC-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    通常情況下，STC-OFDM是將輸入的信息比特流經(jīng)過調(diào)制后串并變換，對(duì)得到的k路數(shù)據(jù)(k，子載波個(gè)數(shù))分別進(jìn)行空時(shí)編碼，每一路數(shù)據(jù)的編碼結(jié)果都是N路輸出信號(hào)(N，發(fā)射天線的個(gè)數(shù))，這樣就能得到k組包含N路信號(hào)的輸出結(jié)果。然后，對(duì)這樣的結(jié)果進(jìn)行重新排列，如下圖5所示，就能得到每一組OFDM的輸入信號(hào)。經(jīng)過IFFT變換之后，從相應(yīng)的天線上發(fā)射出去。也就是說，要在0FDM系統(tǒng)中使用空時(shí)碼，就在每一個(gè)子載波上進(jìn)行空時(shí)編碼，然后再進(jìn)行IFFT調(diào)制，接收端先進(jìn)行FFT解調(diào)，再對(duì)每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)進(jìn)行空時(shí)編碼。

2．2 STC-OFDM系統(tǒng)的仿真和結(jié)果分析
    在基于MIMO-OFDM下行鏈路級(jí)仿真中，我們使用了Matlab仿真工具，仿真條件為：
    (1)發(fā)送端采用QPSK調(diào)制方式；
    (2)發(fā)送端天線間距為4λ，接收端天線間距為0．5λ；
    (3)發(fā)送端采用2根天線，接收端采用1根天線；
    (4)各發(fā)射天線上的功率相等；
    (5)接收端采用理想的信道估計(jì)值；
    (6)未使用信道編碼，并且信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)已達(dá)到了精準(zhǔn)的同步；
    (7)0FDM以及STC-OFDM系統(tǒng)的信道環(huán)境按照3GPP TR 25．996 V6．1．0中的多徑衰落傳播環(huán)境中casel(移動(dòng)臺(tái)速度為3km／h)給出的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；
    (8)STC系統(tǒng)的信道環(huán)境按照3(3PP TR 25．996 V6．1．0中的多徑衰落傳播環(huán)境中case3(移動(dòng)臺(tái)速度為3km／h)給出的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
2．2．1 仿真結(jié)果

2．2．2 仿真結(jié)果分析
    從上圖可以看出：采用空時(shí)編碼的OFDM系統(tǒng)性能比沒采用空時(shí)編碼的性能要好。但是STBC-OFDM系統(tǒng)性能卻比STBC的性能要差一些。這是因?yàn)樵陬l率選擇性衰落信道中，噪聲的存在使得OFDM的子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間存在干擾。
    仿真表明，0FDM技術(shù)通過FFT可變換能將頻率選擇性的多徑衰落信道分成多個(gè)平坦衰落信道，使空時(shí)編碼技術(shù)的應(yīng)用不再受到平坦信道條件的限制。

3 結(jié)論
    MIMO和OFDM技術(shù)在各自的領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大的作用，如今將兩者相結(jié)合并應(yīng)用到未來移動(dòng)通信中，正成為無線通信研究的一個(gè)熱點(diǎn)。OFDM系統(tǒng)克服頻率選擇性衰落，為MIMO技術(shù)的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的平臺(tái)，MIMO技術(shù)又可以為OFDM系統(tǒng)提供明顯的分集增益和系統(tǒng)容量的增加，兩者的結(jié)合可以帶來極大的性能增益?？諘r(shí)編碼和OFDM的結(jié)合可以看成是MIMO-OFDM的特例，OFDM的特點(diǎn)正好彌補(bǔ)了空時(shí)編碼不能直接用于寬帶移動(dòng)通信中的缺陷，將兩者結(jié)合而形成的空時(shí)OFDM技術(shù)將成為后3G及4G寬帶移動(dòng)通信的無線傳輸找到一種可行的解決方案。