MIMO-OFDM系統(tǒng)中的空時(shí)編碼技術(shù)研究

　　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3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)2 Mb／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2個(gè)最嚴(yán)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(shù)和正交頻分復(fù)用(OFDM)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IMO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，OFDM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。

　　1 MIMO-OFDM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)劉通過串并變換，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(ISI)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OFDM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OFDM符號(hào)之間的干擾。OFDM技術(shù)之所以越來越受關(guān)注，是因?yàn)镺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)?；贠FDM的多載波傳輸系統(tǒng)如下圖1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)，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(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(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OFDM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3、4所示。