MIMO-OFDM系统的空时编码技术研究

作     者：张永照 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭晓衡

授予年度：2010年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：多输入多输出 空时编码 正交频分复用 分集 

摘      要：随着B3G移动通信的快速发展,人们对高速率、大容量的多媒体业务传输提出了迫切需求。然而,它的实现不得不面对频率资源的限制和多径衰落的影响这两个严峻的挑战,它们是进一步提高系统信道容量和通信质量的障碍。近年来,基于多天线技术的多输入多输出(MIMO, Multiple Input Multiple Output)技术已成为解决以上问题的新途径,它将多径效应视为有利因素加以利用,可以实现通信系统有效性和可靠性的全面提升。MIMO技术可以在不增加发射功率和带宽的情况下成倍提高信道容量,也可以大幅增强抗衰落能力以改善通信质量,这源于空时编码(STC, Space Time Coding)技术所带来的空间复用增益和空间分集增益。 另外,正交频分复用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术可在频域内将频率选择性衰落信道转换为平坦衰落信道,从而克服频率选择性衰落的影响,而它的子载波的频谱正交特性也使得频谱利用率也有一定提高。因此,结合MIMO与OFDM的MIMO-OFDM技术则能优势互补,即MIMO的空时分集/复用,加上OFDM的频率分集/复用,可以同时利用空间、时间和频率三维资源,使系统的信道容量和抗衰落能力大为增强。 在此背景下,本论文主要进行了以下相关研究: ①研究无线通信的信道特征,理解多径衰落对系统性能的影响。然后由空间分集技术引入空时编码技术,在此基础上研究MIMO系统模型,从信息论角度推导出MIMO信道容量表达式,并用蒙特卡洛方法对SISO、SIMO、MISO、MIMO系统的信道容量进行了仿真。仿真结果表明,采用多根天线的MIMO技术确实具有成倍增加信道容量的潜力。 ②研究空时编码的设计准则,从误码率角度推导出在不同信道衰落情况下进行空时编码设计的性能表达式。 ③研究分层空时编码(LSTC, Layered Space Time Coding)、空时网格编码(STTC, Space Time Trellis Coding)、空时分组编码(STBC, Space Time Block Coding)三种典型的空时编码技术的编、译码原理,并对不同编码格式、不同映射方式、不同天线数目以及不同编码速率等条件下的系统性能进行详细仿真比较。仿真结果表明,LSTC以空间复用的形式提高数据传输速率,而STTC和STBC则以具有相关性的编译码结构改善数据传输可靠性。另外,本文创新性地对BLAST方案进行了一种折衷改进,通过从接收端反馈信道状态信息,发射端动态调整空时码元映射方式,从而使系统可以适应更加广泛的衰落信道环境并同时获得可观的复用增益和抗衰落能力。 ④研究OFDM的基本原理,理解OFDM有效抵抗频率选择性衰落的实质。在此基础上,将MIMO结合OFDM构建MIMO-OFDM系统,并对采用空时/频编码的MIMO-OFDM系统进行了性能分析和仿真。仿真结果表明,采用了空时/频编码的OFDM系统比传统的OFDM系统的性能有很大提升。然后,改变准静态平坦衰落的信道条件,结合OFDM,提出适用于频率/时间选择性衰落信道的一种新的正交设计的空时频分组编码(STFBC, Space Time Frequency Block Coding)方案,即STFBC-OFDM方案。原理分析和性能仿真表明,新的STFBC-OFDM方案在抵抗频率选择性衰落和时间选择性衰落方面具有鲁棒性,能有效消除时域和频域内的串扰,分别比频率选择性衰落条件下的SFBC-OFDM系统和时间选择性衰落条件下的STBC-OFDM的系统性能更加优越。