STBC-MIMO-OFDM系统性能分析

随着通信技术的不断发展，网络模式由4G逐渐过渡到5G，直至未来的6G，正交频分复用技术与多输入多输出技术起到了关键作用，这两项技术的引入可以大幅度提高系统的传输速率、提升频谱利用率和抗衰落能力，OFDM 和MIMO技术也因此被视为4G和5G标准的核心技术。

由于功率和带宽都受限的无线信道影响，对MIMO-OFDM技术的要求也越来越高，于是诞生了空时编码技术，该技术提供的 分集增益、编码增益以及编码速率对实现高速可靠的MIMO系统有着很大的作用。因此， 以高分集增益、高编码增益和保持高的数据传输速率为目标，设计出适合不同应用环境的空 时编码方案，对MIMO系统的应用研究具有十分重要的现实意义。

一、STBC-MIMO-OFDM相关技术概要

1.1 MIMO技术概述

MIMO的含义是多输入多输出（Multi-input Multi-output），是一种用来描述多天线无线 通信系统的抽象数学模型。众所周知，提高频谱使用效率是重点也是难点，解决这个问题的 一个途径是分集。该技术与多天线阵列紧密相关。发射端单天线、接收端多天线的结构普遍 定义为接收分集，亦称单输入多输出(Single-Input Multiple-Output，SIMO)系统。采用较佳 接收分集技术十分重要。通常情况下，这样能够大大提高接收端的信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)，使得信道的容量和频谱的使用效率都得到较大的提升。

另一种情况下，发射端多天线、接收端单天线的结构则普遍定义为发射分集，亦称多输入单输出(Multiple-Input Single-Output) MISO系统。但在这种情况下，倘若信道状态信息未知，那么便不可能在发射端的多天线中， 应用波束成形技术以及功率分配技术，更无法有效地提高信道容量。为了综合两种分集的优 势，SIMO技术和MISO技术自然地结合起来，MIMO技术应运而生。

1908年，科学家马可尼便提出用多天线技术来减低衰落的影响，而随着此后天线阵列的研究逐渐深入，自适应信号处理技术便出现了。以上的大量研究表明，这种有效利用多发多收天线进行传输的MIMO 技术，突破了传统的时频资源，为通信系统提供了大量的空域资源。理论上，该技术能够十分有效地提升系统容量以及频谱效率。

与单输入单输出(Single-Input Single-Output，SISO)系 统不同，MIMO不仅不用过多考虑多径效应的负面影响，更将其作为多天线情况下的有利一 面加以有效利用。这种有利因素是指，在保持原发射功率以及带宽的基础上，利用多天线优 势，充分应用多副发射天线与多副接收天线间的信道的散射特性，由此一来，便可大幅度地 提高系统的信道容量与频谱效率。

目前世界上，基于MIMO技术的各类通信系统方案已大量 应用于WLAN(Wireless Local Area Network，无线局域网)、LTE、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入)等多种不同网络，与此对应的多种 相关技术，以及进一步开发的实验系统都还在持续性的研制与完善之中，MIMO技术的前景 不可估量。

由于其巨大的前景，MIMO系统已经应用到几个未来无线通信系统的标准中，特别是无 线局域网和蜂窝网，例如IEEE 802.11、802.16和第三代合作伙伴项目(3r d Generation Partnership Project,3GPP标准)。基于IEEE802.11标准已经产生了Wi-Fi。基于IEEE802.16标准已经产生 了WiMAX，旨在实现长距离上的高数据速率。3GPP技术也称为宽带码分多址(WCDMA)， 作为CDMA技术的扩展用于第三代(3G)蜂窝网络中。

1.2 OFDM技术概述

以抗干扰性强为特点的调制和信息传输技术、高速接入技术、无线接口和光接技术，以 及自适应阵列智能天线、网络结构协议、软件无线电等为主的技术，目前正逐步成为第四代 移动通信系统(4G)的关键技术。

正交频分复用(OFDM)技术作为关键技术之一得到人们的重视。它是调制技术的一种，具有十分良好的抗噪能力以及抗多信道干扰能力，利用了多载波，其网络结构可高度扩展，能为无线数据用户提供技术质量更高的服务，达到更优的性价比，故获得广泛认同。在相关通信新技术中，比如DAB(Digital Audio Broadcasting，数字音频广 播)以及WLL(wireless local loop，无线本地环路)，这种技术都得到广泛应用。

OFDM技术既是调制技术，又是一种信道传输技术，这种技术利用了很多正交的、使用低传输速率的子载波来并行实现高数据速率的通信。OFDM技术最早起源于二十世纪五十年代中期，能抵抗多径衰落、降低复杂度是这种技术的最大优点，而该技术所使用的并行数 据传输和频分复用技术则形成于二十世纪六十年代。它的原理是，将通信信道分成许多正交的子信道，在其中的每一个子信道上进行窄带调制和传输，如此便大幅减少了这些窄带间的 干扰，同时也更充分地利用了频谱资源。

OFDM技术的主要优点如下:

1、抗多径能力强。并行子载波是OFDM系统的核心传输工具。为了传输高速数据流，它使用并行子载波传输低速率并行数据流。这样可以有效减少符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)。

2、频谱效率高。OFDM对频谱资源利用得更好，因为它的子载波具有正交性，子信道谱可以重叠，所以相对于传统频分复用系统而言性能更强。

3、支持非对称传输。因为系统下行链路数据传输量一般远远大于上行链路。所以非对称 高速率数据传输问题必须在物理层上得到解决，OFDM便可以很好地做到。它在上下行链路分别使用不同数量的子载波，以此实现不同的传输速率。

4、实现技术较简单。OFDM的调制与解调可以采用DFT(离散傅里叶变换，Discrete Fourier Transform)和IDFT(离散傅里叶逆变换，Inverse Discrete Fourier Transform)实现。

1.2.3 STBC技术概述

结合不同的分集技术可以进一步提升系统在无线环境中的性能。例如，可以将通过发射 和接收天线实现的空间分集与信道编码结合起来，把这种方式叫做空时编码(Space-Time Codes,STC)，把这种系统叫做编码的MIMO系统。

1996年，美国Bell实验室的研究人员第一次提出基于多天线系统的分层空时结构(Bell Labs Layered Space-Time Architecture),并据此开发出了BLAST系统。分层空时结构的核心思想是 将系统输入的高速比特流转变成多路传输速率比较低的并行的子比特流，通过对多路并行的 子比特流进行相应的编码调制后经多根天线传送出去。基于分层思想设计的空时编码很好地 体现了空分复用的思想。随后，Tarokh等人在此基础上，为追求更好的系统性能，结合延迟发射分集技术(Delay Transmit Diversity,DTD)提出了空时网格编码(Space-Time Trellis Code， STTC)的概念。这种空时码字的设计融合了网格编码调制(Trellis Coded Modulation,TCM)和发 射分集两者的优点，使系统在接收端可以同时获得较高的编码增益和分集增益，从而使系统 拥有较好的性能。真正把空时编码研究推上移动通信理论研究前沿的还是空时分组码。

1998 年，Alamouti提出了一种非常简单的发射分集技术——空时分组码（STBC），并很快进入 3GPP标准。这种方案中码字列元素间特有的正交性使得接收机可以采用最大似然判决算法并获得较高的数据传输速率。后续Tarokh等人开始考虑发射任意发射天线数目情况，得到了全 分集的正交空时分组编码(Orthogonal Space-Time Block Coding,OSTBC)。Jafarkhani等人为 保证传输速率而提出的准正交的空时分组码(Quasi-Orthogonal Space-Time Block Coding, QOSTBC)都是这一理论成果的继承和发展。上述方案都是在已知信道状态的条件下得出 的，但是现实中的信道条件是时刻变化的，难以对信道状态进行准确的估计。对此，Tarokh和Hughes等人引入了差分思想，又分别提出了差分空时分组码(Differential Space-Time Codes, DSTBC)和差分酉空时编码(Differential Unitary Space-Time Codes,DUSTBC)。以上的这一系列研究成果极大地丰富了空时编码理论，引导学者继续对空时编码技术展开更深的研究。

二、STBC-MIMO-OFDM系统基本原理

图1为STBC-MIMO-OFDM系统发射端的原理框图，从图中可知，STBC-MIMO-OFDM 系统在对映射后的输入信号流进行串并转换和OFDM调制操作之间加入了空时编码调制， STBC-MIMO-OFDM系统的空时编码调制过程是在每路子载波上分别执行的。在这一过程中，串并转换后生成的多组并行数据流作为输入通过空时编码器产生空时码字，这些空时编 码器的输出信号再进行重新组合就可获得N组用于OFDM调制的信号，最后将调制好的信号 送到多根天线发射出去。STBC-MIMO-OFDM系统在接收端对接收信号采取相反的操作就可 以恢复原始信号。

图1 STBC-MIMO-OFDM系统发射端的原理框图

三、STBC-MIMO-OFDM仿真分析

参数设置：子载波数：100；FFT长度：512；符号数：66；循环前缀长度：10；QPSK调制；发射天线数：3；接收天线数：2。

图2 STBC-MIMO-OFDM系统误码率

从图2我们能够发现经过空时编码的MIMO-OFDM系统误码率在2~16dB信噪比环境下较低，由于本文内容未进行无空时编码的MIMO-OFDM对比，可能无法直观的说明空时编码的性能，但是在理论计算中能够得出编码后的MIMO-OFDM性能会更好，感兴趣的同学可以自行修改下属代码进行对比分析。