MIMO無線通信系統(tǒng)中的空時分組編碼研究

申礫

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步，特別是多輸入多輸出技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得空間資源得到了進(jìn)一步的交互與共享，在提高資源利用率的同時，也使得高頻譜的使用頻率以及整個無線通信網(wǎng)絡(luò)鏈路的可靠性隨之提升，有力地推動了社會進(jìn)步。在此過程中，空時分組編碼方法則成為了提高多輸入多輸出無線通信系統(tǒng)傳輸效率的關(guān)鍵，也是當(dāng)前國內(nèi)外專家學(xué)者研究的熱門議題之一。為此，該文將針對MIMO無線通信系統(tǒng)中的空時分組編碼展開深入分析，以此來為無線通信技術(shù)發(fā)展略盡綿薄之力。

關(guān)鍵詞：多輸入多輸出 無線通信系統(tǒng) 空時分組編碼方法

中圖分類號：TN919.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0036-02

就目前研究進(jìn)展而言，MIMO無線通信仍然是一個全新的、富有極強(qiáng)挑戰(zhàn)力的研究領(lǐng)域。特別是該技術(shù)能夠在散射條件下不依賴增加帶寬以及發(fā)射機(jī)功率來實現(xiàn)提高無線通信系統(tǒng)通信效率的目的，并且可以在諸多不利影響因素下保障通信信道的暢通，使得數(shù)據(jù)資源得到了有效的共享與應(yīng)用。然而，在其核心的空時分組編碼研究工作中仍然沒有取得突破性進(jìn)展，在一定程度上影響了MIMO無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。為此，該文首先對MIMO無線通信系統(tǒng)中的空時分組編碼作一概述以全面了解空時分組編碼。隨后則是就MIMO無線通信系統(tǒng)中的空時分組編碼方法展開深入分析，繼而進(jìn)一步豐富當(dāng)前研究體系內(nèi)容。

1 MIMO無線通信系統(tǒng)中的空時分組編碼概述

1.1 MIMO無線通信系統(tǒng)中的空時分組編碼概念

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)中核心關(guān)鍵為空時編碼，而空時分組編碼（Space Time Block Coding，STBC）則是空時編碼中最重要、應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)水平最高的編碼方法之一[1]。空時編碼主要是依據(jù)碼字正交設(shè)計原理構(gòu)建出來空時碼字，以此來滿足各行各列之間的碼字能夠?qū)崿F(xiàn)有效的正交。由于采取此種構(gòu)建方法后的碼字具有較為明顯的正交性特征，因而在無線通信系統(tǒng)接收空間數(shù)據(jù)及信息過程中只需要利用最大似然檢測算法對接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解碼并進(jìn)行簡單的線性處理即可掌握其中所包含的內(nèi)容。

1.2 MIMO無線通信系統(tǒng)中的空時分組編碼優(yōu)點

通過分析當(dāng)前收集到的既有研究成果并結(jié)合所學(xué)知識可知，空時分組編碼具有以下幾方面優(yōu)勢之處：

首先，空時分組編碼能夠有效抵抗電磁波衰落，保證通信信號維持在一個穩(wěn)定狀態(tài)。衰落主要是指電磁波在遠(yuǎn)距離傳遞過程中由于傳播介質(zhì)、途徑的改變而導(dǎo)致無線通信系統(tǒng)所接收到的信號出現(xiàn)時強(qiáng)時弱變化，此種現(xiàn)象被稱之為衰落。加之無線通信系統(tǒng)無法采取自動增益控制的方式進(jìn)行衰落的彌補，由此導(dǎo)致電磁波的衰落深度可以達(dá)到數(shù)十分貝。而采取空時分組編碼方法利用二到三副天線對無線通信系統(tǒng)所發(fā)生出的電磁波進(jìn)行分別通信，則能夠在盡可能的情況下保持通信頻率的一致[2]。眾所周知，衰落對頻率具有明顯的選擇性，如果電磁波信號場強(qiáng)起伏明顯，則其頻率變化也將會隨之增強(qiáng)。反之，則無法引起頻率畸變，最終實現(xiàn)強(qiáng)化通信能力的目的。所以，通過空時分組編碼可以起到抵抗電磁波衰落的正面積極作用。

其次，空時分組編碼可以在不犧牲帶寬情形下獲得理想的編碼增益。盡管我國無線通信技術(shù)得到了長足進(jìn)步，但是相較于歐美發(fā)達(dá)國家而言，仍然存在著一定程度的差距，其主要表現(xiàn)在了帶寬上。以韓國為例，其帶寬速率平均為13.8Mb，而我國則僅為5.1Mb。此種情形下無線通信必然會受到嚴(yán)重不利影響?？諘r分組編碼則采取了多發(fā)射多接收的空間分集方式大幅提升了無線通信系統(tǒng)的容量，加之通信信號在不同時隙內(nèi)復(fù)用發(fā)射，能夠滿足高速語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的實時通信所需，其編碼增益效果更加明顯[3]。

2 MIMO無線通信系統(tǒng)中的空時分組編碼方法

目前MIMO無線通信系統(tǒng)中的空時分組編碼方法中應(yīng)用范圍以及研究成果主要集中在四發(fā)射天線準(zhǔn)正交空時分組編碼方法上，因而本文所研究的編碼方法將以此為主，探討其具體編碼方法以及效果。

四發(fā)射天線準(zhǔn)正交空時分組編碼方法的出現(xiàn)，使得無線通信系統(tǒng)中電磁波信號的譯碼工作難度大幅降低，由于復(fù)共軛已經(jīng)被工作人員所牢記，因而在該系統(tǒng)應(yīng)用過程中能夠依據(jù)其相對應(yīng)的碼字進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)換，從而促使分級增益取得了比較理想的效果。

隨著研究的不斷深入，四發(fā)射天線準(zhǔn)正交空時分組編碼方法為了能夠確保數(shù)據(jù)信息能夠以全速率進(jìn)行傳輸，國外專家學(xué)者對其編碼方法以及編碼單元進(jìn)行了進(jìn)一步創(chuàng)新，即：采取了兩個全新的編碼單元和。其各自包含的內(nèi)容如下所示：

在設(shè)計出兩個全新的編碼單元后，其發(fā)射矩陣相應(yīng)發(fā)生改變，得到了一個全新的編碼矩陣，如下所示：

當(dāng)編碼矩陣在4個時間間隔之內(nèi)利用無線通信系統(tǒng)將編碼信號傳輸出去之后，其編碼效率依據(jù)公式計算可知，在和均為4的條件下的數(shù)值為1，四發(fā)射天線準(zhǔn)正交空時分組編碼速率實現(xiàn)了滿速率運行。但是，不容忽視的是，四發(fā)射天線準(zhǔn)正交空時分組編碼方法之所以被稱之為準(zhǔn)正交空時分組編碼，其原因則是在于整個MIMO無線通信系統(tǒng)在正常工作中所有碼字并非完全正交，換而言之，此種編碼方式是以犧牲部分碼字正交性的前提下實現(xiàn)了全速率運行[4]。編碼矩陣中第1行僅僅是與第3行和第4行實現(xiàn)了正交，而與第2行并不構(gòu)成正交關(guān)系。以此類推，該式中第3行與第1行、2行形成了正交關(guān)系，但是與第4行則為非正交關(guān)系。由此可以得出中第1行、第2行二者之間所構(gòu)成的子空間同第3行、第4行形成的子空間實現(xiàn)正交，最終實現(xiàn)增加準(zhǔn)正交空時分組編碼能夠使用碼字?jǐn)?shù)量[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，空時編碼技術(shù)通過利用多根天線來進(jìn)行電磁波信號的傳遞，使得無線系統(tǒng)頻帶利用率得到了大幅提升，有力地推動了無線通信工作的進(jìn)一步發(fā)展。同時，空時編碼技術(shù)作為一種全新的信道編碼技術(shù)，其所擁有的應(yīng)用價值將會隨著時代發(fā)展以及研究的不斷開展而得到更多的關(guān)注，因而，其在MIMO無線通信系統(tǒng)中所發(fā)揮的最大化挖掘空間資源利用率、滿速率傳輸數(shù)據(jù)信息的作用將會日益凸顯。希望該文所展開的研究能夠為其他學(xué)者研究提供借鑒幫助并豐富當(dāng)前研究體系內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1] 張娜，李芳.MIMO無線光通信中分層空時編碼研究[J].自動化與儀器儀表，2015，12（5）：165-166.

[2] 苑隆寅，黎志.多天線MIMO技術(shù)在海面通信容量應(yīng)用中的解決方案[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2015，10（2）：220-223.

[3] 蔣涉權(quán)，王晶，彭超.MIMO系統(tǒng)中空時編碼性能仿真和分析[J].電信科學(xué)，2015，21（2）：35-41.

[4] 錢國兵，李立萍，郭亨藝.多入單出正交空時分組碼系統(tǒng)的調(diào)制識別[J].電子與信息學(xué)報，2015，33（4）：863-867.

[5] 張雅媛，彭端，王玄.基于MIMOSC-FDMA系統(tǒng)的多級迭代干擾消除定時同步算法研究[J].廣東通信技術(shù)，2015，19（2）：65-69.