MIMO空时编码技术研究

MIMO 空时编码技术研究

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摘要：无线通信系统的目标是实现无所不在的、高速、可靠的移动多媒体传输。由多发射和多接收天线组成的多输入多输出MIMO （Multiple-Input Multiple-Output ）技术正是在不牺牲发射功率和信号带宽的条件下，达到这一目标的有效技术之一。MIMO 技术在无线通信链路两端均使用多根天线，可以充分利用无线传播中的多径传输，使频谱利用率和链路可靠性得到极大的提高。与MIMO 技术紧密相关的就是空时编码，本文将介绍常见的三种空时编码技术：分层空时编码、空时网格编码和分组空时编码的性能和复杂度，最后对三种编码方案的优缺点进行总结比较。

关键词：MIMO ；空时编码；分层空时码；空时网格码；分组空时码

一、 引言

随着无线通信技术的发展,目前第三代移动通信的各种标准和规范已达成协议，并已经开始商用。虽然3G 可以比现有的主流移动通信技术的传输速率快上千倍，但3G 技术仍然存在一些局限性其在速率、服务质量和缝传输等方面的局限性也将日益显现。在此情况下，利用多发射和多接收天线阵列实现空分传输即MIMO （Multiple-Input Multiple-Output ），己成为继频分、时分传输手段之后，增加信道容量的重要手段。下图为MIMO 系统示意图。

发射天线接收天线

㈠ MIMO 对系统性能的改善

MIMO 技术通过在无线链路的发射端和接收端采用多天线阵列的方法，比之较为传统的SIMO(single-input-multiple-output)系统（传统的多天线仅仅用于基站）极大增加容量。SIMO 信道能够提供分集增益，阵列增益，去干扰增益。除了这些优点，MIMO 链路能在不增加额外的功率，在同样的频率带宽下开通并行空间数据通道或者信道，从而提供所谓的多路复用增益。在密集的多径导致天线不相关且信道满秩情况下，MIMO 链路提供的容量增益与发射和接收天线中的最小值成正比。

由于阵列增益，分集增益，空间分集增益，干扰的减少，使用MIMO 能使系统性能改善。

1. 阵列增益

通过接收和发射端的处理可获得阵列增益，且由于天线阵列的相干作用增加了平均接收信噪比。接收/发射天线阵列增益同天线数目有关，需要接收和发射端知道信道信息。通常，对于接收端，信道状态信息容易获得，但是对于发射端通常很困难。

2. 分集增益

在无线信道中信号功率是随机变动的，分集技术是十分有效地对抗多径衰落的技术。分集技术的发射信号通过多重独立衰落路径，例如在时间，频率，空间等。空间分集优于时间/频率分集的方式，因为空间分集不占用额外的传输时间或带宽。如果构成MIMO 信道的t M r M 条链路互相独立衰落且发射信号设计合理，接收端把到达信号汇集在一起，合成的信号和SISO 链路信号比较，其信号随机起伏幅度将减小。使用合适的发射信号设计方案，在发射端缺少信道状态信息情况下仍可使用扩展空间分集增益技术，诸如采用空时码编码。

3. 空间分集增益

在不增加额外功率和带宽情况下，MIMO 信道提供一种几乎是线性增加容量的方法。这种增益，称为空间分集增益。在有利的信道环境下，诸如强散射环境，接收端能够分辨出不同的数据流，由此得到容量的线性增加。

4. 减少干扰

由于在无线信道中频率复用导致了同频干扰。当使用多天线时，所需信号和同频信号间的空间差异性可以减少干扰。干扰的减少需要预知所需信号的信道状态信息，干扰信道的确切信息不必知道。也可以在发射端减少干扰，目标是信号

发往最终用户的同时，使得发往其他同频用户的干扰信号最小。干扰减少使得频率复用更有效且增加了系统复用容量，提高频率使用率。通常不可能同时使用MIMO技术，由于受限于空间自由度，或天线数目。解决问题需依靠信号设计方案和收发端的设计。

综上所述，MIMO技术有效地利用了随机衰落和多径传播分量，在同样带宽条件下为无线通信的性能带来改善。MIMO技术的出现对3G或者B3G通信有着极其重要的影响，必将做出巨大的贡献，因此对MIMO系统的研究有着很重要的实际意义。

㈡MIMO技术的研究现状

鉴于MIMO系统的优良性能，目前，国际上很多科研院校与商业机构都争相对MIMO通信技术进行深入研究，其研究现状主要表现在以下几个方面：

1、MIMO算法开发

经过理论分析，MIMO无线技术可以大幅提高系统容量与可靠性。但更为重要的是开发误码性能与复杂度折衷的传输方案以获取MIMO系统的实际性能增益。大量MIMO算法试图同时充分获取分集与复用增益，因此可将MIMO算法方案分为两大类：一类是分集最大化方案，即空时编码（STC）方案；第二类为数据率最大化方案，即复用方案，因为MIMO系统的多天线也可实现空间复用。

2、MIMO信道建模

空时处理性能取决于无线信道的空时特性。即信道传播条件决定了MIMO系统的信道容量。这就需要开发更稳健的空时处理算法和MIMO无线信道模型，以模拟各种实际信道条件、评估各种空时处理算法的相对性能、仿真与优化设计高性能的通信系统。

3、MIMO天线设计

MIMO信道的性能受发射与接收多天线系统的直接影响。由于信号在无线信道中传播时存在散射，信号会混合在一起，所以经收端多天线接收后，系统要通过空时处理算法分离并恢复出发射数据，其性能取决于各天线单元接收信号的独立程度，即相关性。而多天线间的相关性与散射传播及天线特性密切相关。因此，实现MIMO系统的高性能除依赖于多径传播的丰富度外，还依赖于多天线单元的合理设计。

㈢空时编码的技术发展

空时编码（Space-Time Coding）是无线通信的一种新的编码和信号处理技术，它在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性，从而不用牺牲带宽就可以为接收端提供编码系统所没有的分集增益和编码增益。目前常见的的空时码包括有空时分层码（BLAST）、空时分组码（STBC）和空时网格码（STTC）。

分层空时码是最早提出的一种空时编码方法，由于该方法提出者G.J.Foschini是贝尔实验室研究人员，故称为贝尔实验室分层空时结构。其基本技术思想就是把高速的信源数据业务分解为若干低速的子数据业务，然后在发送端通过并行信道编码器对这些子数据业务进行独立的信道编码，调制后用多个天线发送，以实现发送分集。在接收端通过多个天线进行接收，利用信道估计获取信道参数，然后进行分层译码以恢复发送数据。

分层空时码的最大特点就是编解码的过程非常简单，但性能却是现有的三种空时编码方法中最差的。根本原因在于接收时各层之间的译码是相互独立的，只利用了各层的接收信号和信道信息，无法实现层与层之间相互的信息共享和联合预测，达不到最大的分集效果。但是，由于其解码简单，仍然可以在一些要求不高的环境之中获得一定的应用。

空时格码是继分层空时码之后提出的另一种空时编码技术，它是由AT&T公司研究院的Tarokh结合延时分集和格型编码（Trellis Codes Modulation，TCM）提出的，它吸收了两者的优点，通过传输分集与信道编码相结合来提高系统的抗衰落性能。空时格码的设计有两个准则，首先，为了获得最大的分集增益，需要遵循秩准则；另外，在满秩的前提下，为了达到最佳的误码率，需要遵循行列式准则。其译码采用最大似然译码，利用向量维特比译码算法来实现。空时格码可以在不损失发射带宽的情况下，获得很高的分集增益和编码增益。

但是，空时网格码的译码过程极其复杂，并且当天线数目固定时，译码复杂度会随着发射速率的增加呈指数增大，因此，在高速率数据传输时，空时格码的译码复杂度是很高的。这也成了空时格码最大的缺陷，在很大程度上影响了它的实例化进程。

空时分组码的提出是为了克服空时网格码译码复杂度高的缺点，1998年，Alamouti首次提出了使用两个天线发射的空时分组码，该方案可以获得最大分集增益和最大传输速率，是一种简单而有效的编码方案。虽然该方案性能相比于

空时格码略有下降，但是译码复杂度要小的多。

Tarokh等人运用正交设计理论将Alamouti方案推广到多个发射天线的情况。证明了对于复信号，可以同时获得最大分集增益和最大传输速率的正交设计仅在发射天线数等于2时存在，而当发射天线数大于2时则不存在。为此，一些文献中提出了准正交或非正交空时分组码。它们以牺牲正交性和部分分集增益为代价来获得更高的传输速率。但由于编码的非正交在检测矩阵中引入了自干扰项，使得接收端不能实现线性解码。根据正交设计理论的空时分组码无时间冗余，不能获得编码增益，却具有较低的译码复杂度，利用最大似然译码算法即可，而且还可能得到最大的发射分集增益。空时分组码可以实现与最大比合并（MRC）接收机相同的性能。

二、几种空时编码的比较

空时编码在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性，从而不用牺牲带宽就可以为接收端提供编码系统所没有的分集增益和编码增益。目前的空时码可以分为两大类：一类是以最大分集为目标，包括有空时分组码（STBC）、空时网格码（STTC）等；一类是以最大速率为目标，其中以贝尔实验室的空时分层码（BLAST）方案最为出名。目前，空时分组码和空时分层码已被3GPP采用。空时格形码可以提供最大可能的分集增益和编码增益，而不会牺牲发射带宽。然而，这种码的译码却需要使用Viterbi译码器的向量形式，复杂度较高，对于目前还是资源有限的无线通信系统显得不太实用，空时分组码则克服空时格码译码复杂度高的缺点。

㈠空时编码的系统模型

考虑一个具有N t个发射天线、N r个接收天线的无线通信系统，如下图所示。