MIMO-OFDM系统中的空时编码技术研究

　　0引言

　　近年来移动通信技术飞速发展，主要经历了3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2 Mb／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2个最严重的挑战：多径衰落和带宽效率。众所周知，多人多出(MIMO)技术和正交频分复用(OFDM)技术是下一代移动通信系统的核心技术，这是因为MIMO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，OFDM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。

　　1 MIMO-OFDM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刘通过串并变换，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(ISI)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OFDM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OFDM符号之间的干扰。OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM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OFDM的多载波传输系统如下图1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，MIMO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MIMO信道提供的空间分集增益。MIMO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OFDM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3、4所示。