MIMO—OFDM系统中的空时编码技术的仿真研究

摘要：介绍了MIMO技术，OFDM的基本原理，利用两者的优点将其结合起来运用到未来移动通信系统中，并将成为未来移动通信中的关键技术。空时编码技术在MIMO-OFDM系统中的应用，通过仿真表明0FDM技术通过FFT变换能将频率选择性的多径衰落信道分成多个平坦衰落信道，使空时编码技术的应用不再受到平坦信道条件的限制。
关键词：MIMO；OFDM；MIMO-0FDM；STBC；空时编码

0 引言
    近年来移动通信技术飞速发展，主要经历了三个发展阶段：从基于频分多址(FDMA)的模拟技术过渡到基于时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)的数字技术。目前第三代移动通信系统相比第二代移动通信系统而言，可以提供更宽的频带和更高的数据传输，传输速率可高达2Mb／s，然而随着全球范围内移动用户数的迅猛增长和多媒体业务的发展，3G在通信系统容量和传输速率等方面将远远不能满足要求。在未来的宽带移动无线通信系统中，存在两个最严重的挑战：多径衰落和带宽效率。众所周知，多入多出(MIM0)技术和正交频分复用(0FDM)技术是下一代移动通信系统的核心技术，这：是因为MIM0技术利用空间分集和发射分集技术在不增加系统带宽的前提下能够成倍地提高系统信道容量和传输速率，0FDM技术通过将频率选择性信道在频率内转变成平坦衰落信道，从而减少了多径衰落的影响。正是由于这些优点，这两种技术在下一代通信系统中备受青睐。

l MIMO一0FDM系统
1．1 OFDM技术
    正交频分复用的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输。在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各子信道独立地进行传输。如果每个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的，即每个子信道都可看作无符号间干扰(ISl)的理想信道。这样，在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。在OFDM系统中，通过在0FDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，以及消除0FDM符号之间的干扰。0FDM技术之所以越来越受关注，是因为0FDM有很多独特的优点：①频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。②抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。③采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。④通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。⑤基于离散傅里叶变换(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调，易用DSP实现。基于0FDM的多载波传输系统如下图l所示。

1．2 MIMO技术
    MIMO(多输入多输出)是指利用多发射和多接收天线进行空间分集的技术，来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO系统，MIM0还可以包括SIMO系统和MISO系统。MIMO采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成许多并行的子信道，从而大大提高系统容量。信息论已经证明：当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。理论证明，信道容量随着天线数量的增加而线性增大，也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发射功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。另外，MIMO技术在提高信道容量的同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIM0信道提供的空间分集增益。MIM0系统框图如图2所示。

1．3 MIMO-OFDM系统模型
    可以看出，MIMO技术能提高系统容量，在一定程度上可以抗多径衰落，但是对于频率选择性衰落却无能为力。而OFDM技术可以高效利用频谱资源，有效抵抗频率选择性衰落。将MIMO和0FDM技术相结合，充分利用这两种技术优点，MIMO-OFDM技术将成为第四代移动通信系统中有效对抗频率选择性衰落，提高数据传输速率，增大系统容量的关键技术。MIMO-OFDM系统模型如下图所示。

2 MIMO—OFDM系统中的空时编码技术
    空时编码具有频谱效率高，抗衰落能力强等优点，但目前提出的空时编码都是基于平坦衰落信道，而未来宽带移动通信所处的信道将是严重的非平坦衰落信道，因而还不能将空时编码直接运用到未来移动通信中去。
    0FDM的最大优点是：传输高速数据时，具有内在的抗符号干扰能力，将宽带的非平坦信道转换为一组并行的平坦衰落子信道。OFDM的最大特点正好弥补了空时编码的最大缺点，为空时编码在后3G宽带移动通信系统中的应用找到了较为理想的解决方案。两者结合不但可以使系统获得更高的频谱效率，传输速率和通信质量，而且还能够大大减轻高速通信时将会遇到的均衡复杂性。
2．1 STC-OFDM系统结构
    通常情况下，STC-OFDM是将输入的信息比特流经过调制后串并变换，对得到的k路数据(k，子载波个数)分别进行空时编码，每一路数据的编码结果都是N路输出信号(N，发射天线的个数)，这样就能得到k组包含N路信号的输出结果。然后，对这样的结果进行重新排列，如下图5所示，就能得到每一组OFDM的输入信号。经过IFFT变换之后，从相应的天线上发射出去。也就是说，要在0FDM系统中使用空时码，就在每一个子载波上进行空时编码，然后再进行IFFT调制，接收端先进行FFT解调，再对每个子载波上的数据进行空时编码。

2．2 STC-OFDM系统的仿真和结果分析
    在基于MIMO-OFDM下行链路级仿真中，我们使用了Matlab仿真工具，仿真条件为：
    (1)发送端采用QPSK调制方式；
    (2)发送端天线间距为4λ，接收端天线间距为0．5λ；
    (3)发送端采用2根天线，接收端采用1根天线；
    (4)各发射天线上的功率相等；
    (5)接收端采用理想的信道估计值；
    (6)未使用信道编码，并且信号到达接收端时已达到了精准的同步；
    (7)0FDM以及STC-OFDM系统的信道环境按照3GPP TR 25．996 V6．1．0中的多径衰落传播环境中casel(移动台速度为3km／h)给出的参数进行设置；
    (8)STC系统的信道环境按照3(3PP TR 25．996 V6．1．0中的多径衰落传播环境中case3(移动台速度为3km／h)给出的参数进行设置。
2．2．1 仿真结果

2．2．2 仿真结果分析
    从上图可以看出：采用空时编码的OFDM系统性能比没采用空时编码的性能要好。但是STBC-OFDM系统性能却比STBC的性能要差一些。这是因为在频率选择性衰落信道中，噪声的存在使得OFDM的子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间存在干扰。
    仿真表明，0FDM技术通过FFT可变换能将频率选择性的多径衰落信道分成多个平坦衰落信道，使空时编码技术的应用不再受到平坦信道条件的限制。

3 结论
    MIMO和OFDM技术在各自的领域中发挥了巨大的作用，如今将两者相结合并应用到未来移动通信中，正成为无线通信研究的一个热点。OFDM系统克服频率选择性衰落，为MIMO技术的应用提供了一个很好的平台，MIMO技术又可以为OFDM系统提供明显的分集增益和系统容量的增加，两者的结合可以带来极大的性能增益。空时编码和OFDM的结合可以看成是MIMO-OFDM的特例，OFDM的特点正好弥补了空时编码不能直接用于宽带移动通信中的缺陷，将两者结合而形成的空时OFDM技术将成为后3G及4G宽带移动通信的无线传输找到一种可行的解决方案。