沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）
以达到20～40bps/Hz;而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1～5bps/Hz，在点到点的固定微波系统中也只有10～12bps/Hz。
可以看出，信道容量随着天线数量的增大而线性增大。利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高，这也是多进多出的最初原理。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。
提到MIMO 技术，就必须提到OFDM技术。OFDM技术是高效的多载波调制技术，是目前第四代移动通信的核心技术。能够有效地对抗多径传播，从而可靠地接收受到干扰的信号。OFDM结合时空编码、分集、干扰（包括符号间干扰ISI和邻道干扰ICI）抑制以及智能天线技术，最大程度的提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步优化。将MIMO系统和OFDM系统结合起来，即构成MIMO OFDM系统，更好地发挥其功效。
3.1.1 MIMO的优势
1．实现高速数据传输
MIMO空间复用技术就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径矢量，在同一频带上使用多个数据通道（MIMO子信道）发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而呈线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的一种非常有效的手段。
空间复用是将需要传送的信号经过串并转换成几个平行的信号流，并且在同一频带上使用各自的天线同时传送。由于多径传播，每一副发射天线针对接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号不同来区分各自的数据流。实现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离，这样才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。
下一代无线局域网标准802.11n采用MIMO OFDM技术，传输速率高达320Mbps，净传输速率为108Mbps。
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2．抗干扰能力强
多径干扰同上述与发射信号独立的噪声和干扰不一样，它是发射信号在传播过程中，遇到各种反射体(如电离层、对流层、高山、高大建筑物或建筑群等)引起反射或折射，形成对直接到达接收端的发射信号的干扰，这是所有无线通信，如卫星通信、微波通信、移动通信、短波通信等方式必须面对的十分突出的问题。由于反射或折射是多方向、多途径、与直接到达接收端的发射信号完全相关的，会使接收端的接收信号产生严重的失真、波形展宽、波形重叠和畸变，造成通信系统解调器输出出现大量差错，以至不能正常通信。因此，长期以来，抗多径干扰问题始终是一个难以解决的问题。一般的方法是排除干扰或变害为利。前者是设法把最强的有用信号分离出来，而排除其他路径来的干扰信号，这就是采用分集技术的基本思想。
MIMO无线通信技术通过空间分集来克服无线传输中的信道衰落。空间分集分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为SIMO系统是接收分集，MISO系统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生Rayleigh衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个位置间距大于天线之间的相关距离（通常相隔十个信号波长以上），就认为两处的信号完全不相关，这样就可以实现信号空间分集接收。需要说明的是，空间分集适于在多散射体的多径情况下应用，天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性，以充分利用多散射体造成的多径（也称之为充分多径）。
MIMO技术的关键是能够通过空间分集将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。MIMO技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。 3．提高频谱效率
MIMO技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图2所示为MIMO系统的原理图。传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k)，i=1，??，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收端利用先进的空时编码系统处理、分开并解码这些数据子流，从而达到最佳的效果。
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4．MIMO的挑战
在未来的宽带无线通信系统中，MIMO存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小了多径衰落的影响。而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地增加了系统的传输速率，即由MIMO提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，如果我们将OFDM和MIMO两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统具备很高的传输速率，另一种是通过分集达到很强的可靠性。同时，在MIMO OFDM系统中加入合适的数字信号处理算法能更好地增强系统的稳定性。
3.2 STBC原理
空时网格码虽然能获得很大的编码增益和分集增益，但是由于在接收端采用维特比译码，其译码复杂度随着天线数和网格码状态数的增加成指数增加，因此在实际中应用有些困难。这就有了空时分组编码的出现。
空时分组码则是根据码子的正交设计原理来构造空时码子 ，空时分组码最早由Alamouti提出的。其设计原则就是要求设计出来的码子各行各列之间满足正交性。 接收时采用最大似然检测算法进行解码，由于码子之间的正交性，在接收端只需做简单的线性处理即可。
3.2.1 STBC编码
在t时刻，STBC编码器接受的复值符号S2t-1 ，?2 的分组，每个接收到的分组产生两个正交输出，每个输出包括两个复值符号。它们分别通过两个天线发送出去。除了正交的复值序列之外，天线还要发射正交导频信号。假设所有的导频模式如下：天线1采用（A，A），天线2采用（A,-A）。此处A是一个实常数设信道的传输函数在两个导频符号之间是无变化的。两个信道的衰落分别为?1，?2，接受天线所接受
?t?(???)s?N ，信道加性噪声为n。接受到连续的2个码元符号的信号为s12t0t22r2t-1，r2t可以表示为
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??r2t-1=S2t-1?1+S2t?2?n2t?1? （3.2.1.1） **r??S??S??n?2t12t?122t?2t收到的两个导频符号p2t?1，p2t可以表示为
?p2t-1=A?1?A?2+n1? （3.2.1.2） p?A??A??n121?2t其中n2t?1，n2t?2，n1，n2都是相互独立的加性高斯白噪声，协方差为1。令
?1?2L(?1,?2)? （3.2.1.3）
?2??1N2t?1?(n2t?1,n2t)T （3.2.1.4）
接受信号可以写成
r2t?1r2t?S2t?1S2tL(?1,?2)?N2t?1 （3.2.1.5）
从接收到的导频信号，估计信道参数?1和?2为
p2t?1?p2tp2t?1?p2t?1?，?2? （3.2.1.6）
22因此，解码输出符号可以表示为
?2t?1rs2t?1?L(?1,?2)?1?N2t?1 （3.2.1.7） ?2tr2ts在信道估计理想的情况下, 解码信号如下所示, 达到分集的效果
?t?(?2??2)s?N （3.2.1.8） s12t0
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3.2.2 STBC解码
单接收天线时的约束置零方法和决策反馈解码算法能够很好地消除单接收天线下的误码率，最近提出的分集增益置零解码算法既能充分利用多天线接收时的分集增益，也能有效地消除时变信道下的码间干扰。 采用多接收天线模型，其中：
TTTTTTH?r(n)??r(n),r(n),...,r(n)H(n)?[H(n),H(n),...,H(n)] ,，定义 R?HH。12M12M??T在接收端采用如下合并方法：
y(n)?HH(n)r(n)?R(n)s(n)?HH(n)w(n) （3.2.2.1）
这样的合并方式称为分集增益合并。因为R为埃尔米特矩阵，所以不妨设R为
??11(n)?12(n)?R(n)??*? （3.2.2.2）
?(n)??12(n)22?*式中：?12(n)，?12(n)为合并后的码间干扰。
如果能求出矩阵?(n)满足如下条件：
?(n)R(n)?diag(?1(n),?2(n))??(n) （3.2.2.3）
式中z(n)??(n)?(n)y(n)??(n)S(n)?w(n) 为对角阵，则显然在解码过程中可以消除码间干扰。根据?(n)为对角阵的条件，经过简单的推导得到置零矩阵?(n)
*2???22(n)??12(n)??(n)??*? （3.2.2.4）
?(n)??(n)11??12得到?(n)后很容易求得
?1(n)??2(n)??(n)??11(n)?12(n)??12噪声向量为?(n)HH(n)w(n)，各维方差为
（3.2.2.5）
2?2(2n)??w?(n)?22(n) （3.2.2.6a）
2?2(2n?1)??w?(n)?11(n) （3.2.2.6b）
把式（3.2.2.4）中的?(n)和式（3.2.2.3）中?(n)的代入式（3.2.2.6）中得到判决向量，
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