MIMO-OFDM系統(tǒng)中的空時編碼技術研究

　　0引言

　　近年來移動通信技術飛速發(fā)展，主要經歷了3個發(fā)展階段：從基于頻分多址(FDMA)的模擬技術過渡到基于時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)的數字技術。目前第三代移動通信系統(tǒng)相比第二代移動通信系統(tǒng)而言，可以提供更寬的頻帶和更高的數據傳輸，傳輸速率可高達2 Mb／s，然而隨著全球范圍內移動用戶數的迅猛增長和多媒體業(yè)務的發(fā)展，3G在通信系統(tǒng)容量和傳輸速率等方面將遠遠不能滿足要求。在未來的寬帶移動無線通信系統(tǒng)中，存在2個最嚴重的挑戰(zhàn)：多徑衰落和帶寬效率。眾所周知，多人多出(MIMO)技術和正交頻分復用(OFDM)技術是下一代移動通信系統(tǒng)的核心技術，這是因為MIMO技術利用空間分集和發(fā)射分集技術在不增加系統(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，OFDM技術通過將頻率選擇性信道在頻率內轉變成平坦衰落信道，從而減少了多徑衰落的影響。正是由于這些優(yōu)點，這兩種技術在下一代通信系統(tǒng)中備受青睞。

　　1 MIMO-OFDM系統(tǒng)

　　1.1 OFDM技術

　　正交頻分復用的基本原理是把高速的數據劉通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干子信道中進行傳輸。在頻域內將信道劃分為若干互相正交的子信道，每個子信道均擁有自己的載波分別進行調制，信號通過各子信道獨立地進行傳輸。如果每個子信道的帶寬被劃分得足夠窄，每個子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的，即每個子信道都可看作無符號間干擾(ISI)的理想信道。這樣，在接收端不需要使用復雜的信道均衡技術即可對接收信號可靠地進行解調。在OFDM系統(tǒng)中，通過在OFDM符號之間插入保護間隔來保證頻域子信道之間的正交性，以及消除OFDM符號之間的干擾。OFDM技術之所以越來越受關注，是因為OFDM有很多獨特的優(yōu)點：(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。(3)采用動態(tài)子載波分配技術能使系統(tǒng)達到最大比特率。(4)通過各子載波的聯合編碼，可具有很強的抗衰落能力。(5)基于離散傅里葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT來實現調制和解調，易用DSP實現。基于OFDM的多載波傳輸系統(tǒng)如下圖1所示。

　　1.2 MIMO技術

　　MIMO(多輸入多輸出)是指利用多發(fā)射和多接收天線進行空間分集的技術，來抑制信道衰落。根據收發(fā)兩端天線數量，相對于普通的SISO系統(tǒng)，MIMO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。信息論已經證明：當不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關時，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技術在提高信道容量的同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。MIMO系統(tǒng)框圖如圖2所示

　　1.3 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型

　　可以看出，MIMO技術能提高系統(tǒng)容量，在一定程度上可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性衰落卻無能為力。而OFDM技術可以高效利用頻譜資源，有效抵抗頻率選擇性衰落。將MIMO和OFDM技術相結合，充分利用這兩種技術優(yōu)點，MIMO-OFDM技術將成為第四代移動通信系統(tǒng)中有效對抗頻率選擇性衰落，提高數據傳輸速率，增大系統(tǒng)容量的關鍵技術。MIMO-OFDM系統(tǒng)模型如下圖3、4所示。