MIMO—OFDM系统中的空时码编码技术

杨萃

摘 要：正交頻分复用是一种高效的多载波调制技术，可以用来对抗无线环境中的多径衰落，减少码间干扰。空时编码是一种发射分集技术。该文主要研究了基于多天线正交频分复用的空时分组码和空频分组码的系统结构以及编译码方法。仿真结果表明，将空时编码技术与多天线正交频分复用技术相结合能非常有效地抵抗频率选择性随机衰落。

关键词：多输入多输出系统（MIMO） 正交频分复用技术（OFDM） 空时分组码（STBC） 空频分组码（SFBC）

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（b）-0001-01

如何进一步提高频谱效率和数据传输率，满足日益增长的多种无线数据业务要求已成为B3G无线通信系统的关键问题之一，而MIMO技术和OFDM技术的结合在解决这一问题上体现出了巨大的优势。目前，大量地把MIMO-OFDM技术应用在无线通信系统以提高系统性能的研究集中在如何在所有天线上分配子载波，使得基站根据信道状态信息来选择合适的子载波传输OFDM信号。通常将MIMO技术和OFDM结合有两种方法：一种是利用多天线实现空分复用，提高数据比特率；另一种是利用多天线实现空间分集，从而提高传输可靠性。基于MIMO-OFDM的STBC和SFBC能保证在频率选择性衰落信道中的分集增益，正逐渐成为热点研究分支。

1 系统模型

考虑带空分复用的MIMO-OFDM系统，分别有个发送天线和个接收天线。我们在发送端进行天线选择，从所有个发送天线中选择个天线来发送OFDM信号，所以共有种可能的天线组合，假设在每个子载波上信道为平坦瑞利衰落的，这样系统信道可以建模成的三维矩阵，为子载波数，且矩阵元素为服从均值为0，方差为1（实部和虚部的方差分别为1/2）的独立同分布的复高斯变量。经过天线选择后，信道变为的三维矩阵，

在发送端，空分复用器首先把一组串行的信息比特流转换成和选择天线数相等的组并行的比特流，然后经过快速付氏反变换（IFFT）并加循环前缀（CP）后在选择出的个天线上发送，在接收端由个接收天线接收信号，经过采样、去循环前缀（RP）、付氏变换（FFT）和空分复用检测器后得到最后的信息比特流。

2 空时分组码编码的OFDM

空时分组码是利用正交的原理设计各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域联合的正交分组编码方式。在一定条件下，空时分组码可以使接收端解码后获得满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，译码复杂度低。

考察一个具有K根发射天线M根接收天线的MIMO无线通信系统，信道为平坦衰落信道，不同发射接收天线对间的信道衰落相互独立。在发射端，信息源比特流先被映射为复信号，然后串并转换为M路子流在发射端并行发送，设在某时刻第m根发射天线发射的复信号基带表示为，则在该时刻由所有发射天线的信号的复向量表示为。

空时分组码的正交设计就是构造矩阵X，使得X的列向量相互正交，即XTX=I。

OFDM的空时分组码是以单个OFDM信号，即一串向量为元素进行编码的。表示在第n时刻待发送的数据块，表示传输信道矩阵，表示接收到的数据块。在两发一收的MIMO-OFDM 的空时分组码系统中，一帧数据的每两个相邻的OFDM信号、被编码，再经过OFDM调制解调，得到、，最后将接收信号进行最大似然译码，得到发射信号、的估计值。

空时编码器每次对两个邻近的OFDM信号和进行编码并且发送：

Antenna #1：

Antenna #2：-

把记为，记为，记为，记为。我们用，来表示各个信道传输矩阵，并假定它们在一组空时码内不变或者变化很小。接收信号经过解调得：

进一步变换后得到的向量为：

3 仿真及性能分析

在该文中，仿真时的系统总带宽为20 MHz，OFDM的子载波数为z1024，载频为3.2 GHz，调制采用QPSK，信道模型为修正的Jakes模型，其中时延功率谱参数采用M.1225中的车载信道模型参数，采用理想信道估计，最大多普勒频偏为355 Hz。各接收天线之间相互独立，在空间域实现接收分集，采用最大比合并方式。

基于OFDM的一发两收和STBC、SFBC的两发两收性能仿真图。两根接收天线、误码率为10-3时，两发两收的空时分组码比一根发射天线且未经过编码的性能改进4 dB，两发两收的空时分组码比两发两收的空频分组码性能提高了1 dB左右；误码率为10-4时，两发两收的空时分组码比一根发射天线未经过编码的性能有5 dB左右的提高，两发两收的空时分组码比两发两收的空频分组码性能改善了1 dB左右。由此可知，当接收天线数N=2时，采用OFDM调制，再把信号进行空时分组编码或空频分组编码，其误码率有所下降，性能得到了改善。

4 结论

该文针对MIMO-OFDM系统的信道特点，得出基于MIMO-OFDM的STBC和SFBC能保证在频率选择性衰落信道中的发射分集增益。同时，随着接收天线的增多，空间域的接收分集增益提高。

参考文献

[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.