中訊郵電咨詢設計院 李福昌

    隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對無線傳輸?shù)挠行院涂煽啃蕴岢隽烁叩囊?。MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)在無線通信鏈路兩端均使用多個天線，可以充分利用無線傳播中的多徑傳輸，使頻譜利用率和鏈路可靠性得到極大的提高。與MIMO技術(shù)緊密相關(guān)的是空時編碼。

    一、空時編碼

    1．分層空時編碼

    分層空時編碼技術(shù)（LSTC）最初是由貝爾實驗室的Foschini提出來的，其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分為若干低速數(shù)據(jù)流，獨立地進行編碼、調(diào)制，并提供復用增益。圖1為分層空時編碼原理框圖。

    分層空時編碼按發(fā)射端分路的不同方式主要有三種方案：對角分層空時編碼；垂直分層空時編碼和水平分層空時編碼。其主要差別是針對并行信道編碼器的輸出，三種方案分別按照對角線、垂直方向和水平方向進行編碼。

    分層空時編碼的譯碼算法主要用于對抗多流干擾MSI（MultiStreamInterference），具體實現(xiàn)分為最大似然譯碼算法、線性算法（如迫零算法、最小均方誤差算法）以及非線性算法（如串行干擾消除等）。最大似然譯碼算法具有最優(yōu)的譯碼性能，但是算法的復雜度與發(fā)送天線數(shù)以及調(diào)制星座的點數(shù)成指數(shù)關(guān)系，不能滿足實時譯碼要求。研究表明，分層空時編碼的優(yōu)勢是當接收天線數(shù)大于發(fā)送天線數(shù)時，系統(tǒng)容量與發(fā)射天線數(shù)成正比關(guān)系。

    2．空時分組編碼

    空時分組編碼（STBC）利用正交設計的原理分配各發(fā)射天線上的發(fā)射信號格式，實際上是一種空間域和時間域結(jié)合的正交分組編碼方式。通過正交設計，STBC各信號在接收端可以獨立譯碼，接收機的復雜度隨著天線數(shù)目呈線性增長。

    空時分組編碼是由Alamouti最早提出的，采用兩個發(fā)射天線和一個接收天線的系統(tǒng)可以得到采用一個發(fā)射天線兩個接收天線系統(tǒng)同樣的分集增益。圖2為Alamouti空時分組編碼原理框圖。

    編碼器在每一次編碼操作中取兩個調(diào)制符號x1、x2的一個分組，并根據(jù)如下給出的編碼矩陣將它們映射到發(fā)射天線：

    編碼器的輸出在兩個連續(xù)發(fā)射周期t、t+T里從兩根天線發(fā)射出去。在第一個發(fā)射周期中，信號x1和x2同時從天線1和天線2分別發(fā)射；在第二個發(fā)射周期中，信號從天線1發(fā)射，而從天線2發(fā)射。很顯然，這種方法既在 空間域又在時間域進行編碼。發(fā)射天線1和2上的發(fā)送序列分別為：

    則兩個發(fā)送序列的內(nèi)積為0：

    圖3為空時分組編碼接收機原理框圖。

    圖中h1、h2為信道系數(shù)，n1、n2為信道傳輸過程中引入的噪聲。假設接收機能夠完全估計信道的狀態(tài)，采用最大似然譯碼準則，可以對x1、x2獨立譯碼。因此，通過正交設計，STBC各信號在接收端可以獨立譯碼，接收機的復雜度隨著天線數(shù)目線性增長。

    空時分組編碼可以實現(xiàn)發(fā)射天線數(shù)確定的完全分集，并答應使用基于對接收信號進行線性處理的非常簡單的最大似然譯碼算法。但空時分組編碼只能獲得分集增益而無編碼增益。

    3．空時網(wǎng)格碼

    空時網(wǎng)格碼是AT&T公司研究院的Tarokh在空時延遲分集和格狀碼的基礎(chǔ)上提出的，它利用了傳輸分集和信道編碼技術(shù)，具有很高的分集增益和編碼增益，能夠有效地反抗衰落、抑制干擾和噪聲，在各種信道環(huán)境下都能獲得較好的性能。

    該編碼方法在給定分集好處的情況下，可以通過增加格狀圖的方法來提高編碼增益，但同時狀態(tài)數(shù)的增加必然導致編、譯碼復雜度的提高。因此，實際應用中，要在分集增益和編碼增益之間進行折衷。

    4．空頻分組編碼

    空頻分組編碼是在空域和頻域兩維方向上進行編碼的一種聯(lián)合編碼技術(shù)，空頻分組編碼設計的碼子也要求滿足正交性，因此空頻分組編碼的碼形式與空時分組編碼類似。

    二、MIMO-OFDM系統(tǒng)

    MIMO系統(tǒng)在一定程度上可以利用傳播中的多徑分量，也就是說窄帶MIMO系統(tǒng)可以有效對抗多徑衰落，但是對于寬帶系統(tǒng)中突出的頻率選擇性深衰落，以往的基于窄帶技術(shù)的MIMO系統(tǒng)依然無能為力。而正交頻分復用（OFDM）將高速的數(shù)據(jù)流通過串/并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個子信道中進行傳輸。由于每個子信道中的符號周期會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的影響，抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強。

    把MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)結(jié)合起來，構(gòu)成MIMO-OFDM系統(tǒng)，可以大大提高無線傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴８鶕?jù)不同的空時編碼形式，可分別構(gòu)成STBC-OFDM、LSTC-OFDM、SFBC-OFDM系統(tǒng)等。圖4為兩個發(fā)射天線、兩個接收天線時，STBC-OFDM的系統(tǒng)原理框圖。

    圖5是在WCDMA多徑信道類型4（多徑數(shù)為4，速度為250km/h）中的STBC-OFDM系統(tǒng)性能仿真結(jié)果，仿真實驗中OFDMIFFT/FFT規(guī)模為2048，未考慮信道編碼增益。

    三、MIMO技術(shù)在3G中的應用研究

    在3GPPLTE演進中，為支持更高的傳輸速率，在系統(tǒng)設計中會采用MIMO技術(shù)。究竟采用哪一種MIMO技術(shù)目前還沒有確定，空間復用（SM）、預編碼（PRe-coding）、發(fā)射分集（TD）等都在考慮范圍之內(nèi)。另外，MIMO技術(shù)的應用也會在上下行信道之間、控制信道與業(yè)務信道之間、廣播多播業(yè)務與單播業(yè)務之間存在差異。目前，已經(jīng)確定的下行傳輸天線個數(shù)為1、2、4等三種配置。

    3GPP2在AIE演進中也考慮了各種可能的MIMO技術(shù)，如空間復用（SM）、預編碼（Pre-coding）等?？紤]到假如讓UE反饋每個天線信道系數(shù)需要極大的信令開銷，3GPP2決定在應用MIMO技術(shù)時，把所有可能的MIMO信道情況對應的系數(shù)預先設計成碼書（Codebook）的格式。碼書是預先定義的，由所有可能反映信道特征的系數(shù)矩陣構(gòu)成。這樣，UE在估計MIMO信道系數(shù)后，只需要反饋對應的矩陣及列的標號，這種方法減輕了信令開銷，但相應降低了信道系數(shù)的估計精度。