STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)性能分析

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)模式由4G逐漸過渡到5G，直至未來的6G，正交頻分復(fù)用技術(shù)與多輸入多輸出技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，這兩項(xiàng)技術(shù)的引入可以大幅度提高系統(tǒng)的傳輸速率、提升頻譜利用率和抗衰落能力，OFDM 和MIMO技術(shù)也因此被視為4G和5G標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)。

由于功率和帶寬都受限的無線信道影響，對MIMO-OFDM技術(shù)的要求也越來越高，于是誕生了空時(shí)編碼技術(shù)，該技術(shù)提供的 分集增益、編碼增益以及編碼速率對實(shí)現(xiàn)高速可靠的MIMO系統(tǒng)有著很大的作用。因此， 以高分集增益、高編碼增益和保持高的數(shù)據(jù)傳輸速率為目標(biāo)，設(shè)計(jì)出適合不同應(yīng)用環(huán)境的空 時(shí)編碼方案，對MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、STBC-MIMO-OFDM相關(guān)技術(shù)概要

1.1 MIMO技術(shù)概述

MIMO的含義是多輸入多輸出（Multi-input Multi-output），是一種用來描述多天線無線 通信系統(tǒng)的抽象數(shù)學(xué)模型。眾所周知，提高頻譜使用效率是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，解決這個(gè)問題的 一個(gè)途徑是分集。該技術(shù)與多天線陣列緊密相關(guān)。發(fā)射端單天線、接收端多天線的結(jié)構(gòu)普遍 定義為接收分集，亦稱單輸入多輸出(Single-Input Multiple-Output，SIMO)系統(tǒng)。采用較佳 接收分集技術(shù)十分重要。通常情況下，這樣能夠大大提高接收端的信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)，使得信道的容量和頻譜的使用效率都得到較大的提升。

另一種情況下，發(fā)射端多天線、接收端單天線的結(jié)構(gòu)則普遍定義為發(fā)射分集，亦稱多輸入單輸出(Multiple-Input Single-Output) MISO系統(tǒng)。但在這種情況下，倘若信道狀態(tài)信息未知，那么便不可能在發(fā)射端的多天線中， 應(yīng)用波束成形技術(shù)以及功率分配技術(shù)，更無法有效地提高信道容量。為了綜合兩種分集的優(yōu) 勢，SIMO技術(shù)和MISO技術(shù)自然地結(jié)合起來，MIMO技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1908年，科學(xué)家馬可尼便提出用多天線技術(shù)來減低衰落的影響，而隨著此后天線陣列的研究逐漸深入，自適應(yīng)信號處理技術(shù)便出現(xiàn)了。以上的大量研究表明，這種有效利用多發(fā)多收天線進(jìn)行傳輸?shù)腗IMO 技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的時(shí)頻資源，為通信系統(tǒng)提供了大量的空域資源。理論上，該技術(shù)能夠十分有效地提升系統(tǒng)容量以及頻譜效率。

與單輸入單輸出(Single-Input Single-Output，SISO)系 統(tǒng)不同，MIMO不僅不用過多考慮多徑效應(yīng)的負(fù)面影響，更將其作為多天線情況下的有利一 面加以有效利用。這種有利因素是指，在保持原發(fā)射功率以及帶寬的基礎(chǔ)上，利用多天線優(yōu) 勢，充分應(yīng)用多副發(fā)射天線與多副接收天線間的信道的散射特性，由此一來，便可大幅度地 提高系統(tǒng)的信道容量與頻譜效率。

目前世界上，基于MIMO技術(shù)的各類通信系統(tǒng)方案已大量 應(yīng)用于WLAN(Wireless Local Area Network，無線局域網(wǎng))、LTE、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互聯(lián)接入)等多種不同網(wǎng)絡(luò)，與此對應(yīng)的多種 相關(guān)技術(shù)，以及進(jìn)一步開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都還在持續(xù)性的研制與完善之中，MIMO技術(shù)的前景 不可估量。

由于其巨大的前景，MIMO系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到幾個(gè)未來無線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)中，特別是無 線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)，例如IEEE 802.11、802.16和第三代合作伙伴項(xiàng)目(3r d Generation Partnership Project,3GPP標(biāo)準(zhǔn))。基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)產(chǎn)生了Wi-Fi。基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)產(chǎn)生 了WiMAX，旨在實(shí)現(xiàn)長距離上的高數(shù)據(jù)速率。3GPP技術(shù)也稱為寬帶碼分多址(WCDMA)， 作為CDMA技術(shù)的擴(kuò)展用于第三代(3G)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中。

1.2 OFDM技術(shù)概述

以抗干擾性強(qiáng)為特點(diǎn)的調(diào)制和信息傳輸技術(shù)、高速接入技術(shù)、無線接口和光接技術(shù)，以 及自適應(yīng)陣列智能天線、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)協(xié)議、軟件無線電等為主的技術(shù)，目前正逐步成為第四代 移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的關(guān)鍵技術(shù)。

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)之一得到人們的重視。它是調(diào)制技術(shù)的一種，具有十分良好的抗噪能力以及抗多信道干擾能力，利用了多載波，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可高度擴(kuò)展，能為無線數(shù)據(jù)用戶提供技術(shù)質(zhì)量更高的服務(wù)，達(dá)到更優(yōu)的性價(jià)比，故獲得廣泛認(rèn)同。在相關(guān)通信新技術(shù)中，比如DAB(Digital Audio Broadcasting，數(shù)字音頻廣 播)以及WLL(wireless local loop，無線本地環(huán)路)，這種技術(shù)都得到廣泛應(yīng)用。

OFDM技術(shù)既是調(diào)制技術(shù)，又是一種信道傳輸技術(shù)，這種技術(shù)利用了很多正交的、使用低傳輸速率的子載波來并行實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的通信。OFDM技術(shù)最早起源于二十世紀(jì)五十年代中期，能抵抗多徑衰落、降低復(fù)雜度是這種技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)，而該技術(shù)所使用的并行數(shù) 據(jù)傳輸和頻分復(fù)用技術(shù)則形成于二十世紀(jì)六十年代。它的原理是，將通信信道分成許多正交的子信道，在其中的每一個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，如此便大幅減少了這些窄帶間的 干擾，同時(shí)也更充分地利用了頻譜資源。

OFDM技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下:

1、抗多徑能力強(qiáng)。并行子載波是OFDM系統(tǒng)的核心傳輸工具。為了傳輸高速數(shù)據(jù)流，它使用并行子載波傳輸?shù)退俾什⑿袛?shù)據(jù)流。這樣可以有效減少符號間干擾(Inter-Symbol Interference，ISI)。

2、頻譜效率高。OFDM對頻譜資源利用得更好，因?yàn)樗淖虞d波具有正交性，子信道譜可以重疊，所以相對于傳統(tǒng)頻分復(fù)用系統(tǒng)而言性能更強(qiáng)。

3、支持非對稱傳輸。因?yàn)橄到y(tǒng)下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸量一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行鏈路。所以非對稱 高速率數(shù)據(jù)傳輸問題必須在物理層上得到解決，OFDM便可以很好地做到。它在上下行鏈路分別使用不同數(shù)量的子載波，以此實(shí)現(xiàn)不同的傳輸速率。

4、實(shí)現(xiàn)技術(shù)較簡單。OFDM的調(diào)制與解調(diào)可以采用DFT(離散傅里葉變換，Discrete Fourier Transform)和IDFT(離散傅里葉逆變換，Inverse Discrete Fourier Transform)實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 STBC技術(shù)概述

結(jié)合不同的分集技術(shù)可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)在無線環(huán)境中的性能。例如，可以將通過發(fā)射 和接收天線實(shí)現(xiàn)的空間分集與信道編碼結(jié)合起來，把這種方式叫做空時(shí)編碼(Space-Time Codes,STC)，把這種系統(tǒng)叫做編碼的MIMO系統(tǒng)。

1996年，美國Bell實(shí)驗(yàn)室的研究人員第一次提出基于多天線系統(tǒng)的分層空時(shí)結(jié)構(gòu)(Bell Labs Layered Space-Time Architecture),并據(jù)此開發(fā)出了BLAST系統(tǒng)。分層空時(shí)結(jié)構(gòu)的核心思想是 將系統(tǒng)輸入的高速比特流轉(zhuǎn)變成多路傳輸速率比較低的并行的子比特流，通過對多路并行的 子比特流進(jìn)行相應(yīng)的編碼調(diào)制后經(jīng)多根天線傳送出去。基于分層思想設(shè)計(jì)的空時(shí)編碼很好地 體現(xiàn)了空分復(fù)用的思想。隨后，Tarokh等人在此基礎(chǔ)上，為追求更好的系統(tǒng)性能，結(jié)合延遲發(fā)射分集技術(shù)(Delay Transmit Diversity,DTD)提出了空時(shí)網(wǎng)格編碼(Space-Time Trellis Code， STTC)的概念。這種空時(shí)碼字的設(shè)計(jì)融合了網(wǎng)格編碼調(diào)制(Trellis Coded Modulation,TCM)和發(fā) 射分集兩者的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)在接收端可以同時(shí)獲得較高的編碼增益和分集增益，從而使系統(tǒng) 擁有較好的性能。真正把空時(shí)編碼研究推上移動(dòng)通信理論研究前沿的還是空時(shí)分組碼。

1998 年，Alamouti提出了一種非常簡單的發(fā)射分集技術(shù)——空時(shí)分組碼（STBC），并很快進(jìn)入 3GPP標(biāo)準(zhǔn)。這種方案中碼字列元素間特有的正交性使得接收機(jī)可以采用最大似然判決算法并獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。后續(xù)Tarokh等人開始考慮發(fā)射任意發(fā)射天線數(shù)目情況，得到了全 分集的正交空時(shí)分組編碼(Orthogonal Space-Time Block Coding,OSTBC)。Jafarkhani等人為 保證傳輸速率而提出的準(zhǔn)正交的空時(shí)分組碼(Quasi-Orthogonal Space-Time Block Coding, QOSTBC)都是這一理論成果的繼承和發(fā)展。上述方案都是在已知信道狀態(tài)的條件下得出 的，但是現(xiàn)實(shí)中的信道條件是時(shí)刻變化的，難以對信道狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。對此，Tarokh和Hughes等人引入了差分思想，又分別提出了差分空時(shí)分組碼(Differential Space-Time Codes, DSTBC)和差分酉空時(shí)編碼(Differential Unitary Space-Time Codes,DUSTBC)。以上的這一系列研究成果極大地豐富了空時(shí)編碼理論，引導(dǎo)學(xué)者繼續(xù)對空時(shí)編碼技術(shù)展開更深的研究。

二、STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)基本原理

圖1為STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射端的原理框圖，從圖中可知，STBC-MIMO-OFDM 系統(tǒng)在對映射后的輸入信號流進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和OFDM調(diào)制操作之間加入了空時(shí)編碼調(diào)制， STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)的空時(shí)編碼調(diào)制過程是在每路子載波上分別執(zhí)行的。在這一過程中，串并轉(zhuǎn)換后生成的多組并行數(shù)據(jù)流作為輸入通過空時(shí)編碼器產(chǎn)生空時(shí)碼字，這些空時(shí)編 碼器的輸出信號再進(jìn)行重新組合就可獲得N組用于OFDM調(diào)制的信號，最后將調(diào)制好的信號 送到多根天線發(fā)射出去。STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)在接收端對接收信號采取相反的操作就可 以恢復(fù)原始信號。

圖1 STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射端的原理框圖

三、STBC-MIMO-OFDM仿真分析

參數(shù)設(shè)置：子載波數(shù)：100；FFT長度：512；符號數(shù)：66；循環(huán)前綴長度：10；QPSK調(diào)制；發(fā)射天線數(shù)：3；接收天線數(shù)：2。

圖2 STBC-MIMO-OFDM系統(tǒng)誤碼率

從圖2我們能夠發(fā)現(xiàn)經(jīng)過空時(shí)編碼的MIMO-OFDM系統(tǒng)誤碼率在2~16dB信噪比環(huán)境下較低，由于本文內(nèi)容未進(jìn)行無空時(shí)編碼的MIMO-OFDM對比，可能無法直觀的說明空時(shí)編碼的性能，但是在理論計(jì)算中能夠得出編碼后的MIMO-OFDM性能會(huì)更好，感興趣的同學(xué)可以自行修改下屬代碼進(jìn)行對比分析。