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什么是MIMO OFDM技術(shù)？

摘要

第四代移動(dòng)通信提供了高數(shù)據(jù)傳輸速率，而MIMO和OFDM提高了頻譜效率，從而提供了具有高傳輸速率和系統(tǒng)容量的技術(shù)。兩者的結(jié)合已經(jīng)成為第四代移動(dòng)通信技術(shù)研究的熱點(diǎn)。通過(guò)這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以為系統(tǒng)提供高傳輸速率，同時(shí)提高系統(tǒng)容量，降低成本。詳細(xì)介紹這兩種技術(shù)和信道估計(jì)。

圖一。采用MIMO-OFDM技術(shù)的新標(biāo)準(zhǔn)。

一.導(dǎo)言

第四代移動(dòng)通信目前還沒有確切的定義，但一致的解釋是：“第四代移動(dòng)通信的概念可以稱為寬帶接入和分配網(wǎng)絡(luò)，非對(duì)稱數(shù)據(jù)傳輸能力超過(guò)2 Mbit/s.它包括寬帶無(wú)線固定接入、寬帶無(wú)線局域網(wǎng)、移動(dòng)寬帶系統(tǒng)、互操作廣播網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星系統(tǒng)。此外，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)將是多功能的綜合寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，可以提供高達(dá)100Mbit/s甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)也是寬帶接入IP系統(tǒng)。”簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，4G就是一個(gè)超高速的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，一條沒有線纜的信息高速公路。這樣，要在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)高速大容量，就需要頻譜效率極高的技術(shù)。MIMO技術(shù)充分利用空間資源，利用多根天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)射多接收，可以在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，使信道容量翻倍。OFDM技術(shù)是一種多載波傳輸，其多載波相互正交，可以高效利用頻譜資源。此外，OFDM通過(guò)將總帶寬分成幾個(gè)窄帶子載波，可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。因此，充分發(fā)揮這兩種技術(shù)的潛力，將它們結(jié)合起來(lái)，可以成為新一代移動(dòng)通信核心技術(shù)的解決方案。下面詳細(xì)介紹這兩種技術(shù)及其組合方案。

第二，MIMO技術(shù)

MIMO(多輸入多輸出)系統(tǒng)如圖1所示。這項(xiàng)技術(shù)由馬可尼在1908年首次提出，它使用多個(gè)天線來(lái)抑制信道衰落。MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別設(shè)置多個(gè)發(fā)射天線和接收天線。其出發(fā)點(diǎn)是將多個(gè)發(fā)射天線和多個(gè)接收天線結(jié)合起來(lái)，提高每個(gè)用戶的通信質(zhì)量(如誤碼率)或通信效率(如數(shù)據(jù)速率)。MIMO技術(shù)本質(zhì)上為系統(tǒng)提供了空間復(fù)用增益和空間分集增益?？臻g復(fù)用技術(shù)可以大大提高信道容量，而空間分集可以提高信道可靠性，降低信道誤碼率。通常，多徑會(huì)引起衰落，因此被視為有害因素。然而，對(duì)于MIMO，多徑可以用作有利因素。MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是將傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑衰落因素轉(zhuǎn)化為對(duì)用戶通信性能有利的增強(qiáng)因素。MIMO技術(shù)有效利用隨機(jī)衰落和可能的多徑傳播，使業(yè)務(wù)傳輸速率提高一倍，因此可以在不增加占用信號(hào)帶寬的情況下，將無(wú)線通信的性能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。假設(shè)發(fā)射端有N個(gè)發(fā)射天線和m個(gè)接收天線，在發(fā)射天線和接收天線之間形成MN信道矩陣H。在某個(gè)時(shí)間t，信道矩陣是：

發(fā)射功率平均分配到每個(gè)發(fā)射天線，因此容量公式為：

此時(shí)，可以獲得容量的近似表達(dá)式：

從上式可以看出，此時(shí)的信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。也就是說(shuō)，利用MIMO信道可以指數(shù)級(jí)提高無(wú)線信道的容量，在不增加帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，可以指數(shù)級(jí)提高頻譜利用率。使用MIMO技術(shù)可以使信道的容量增加一倍，提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是MIMO c提供的空間分集增益

根據(jù)頻域多徑信道的頻率選擇性衰落特性，提出了正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)。2、正交頻分復(fù)用的基本原理是將高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換分配到幾個(gè)傳輸速率相對(duì)較低的子信道上進(jìn)行傳輸，在頻域上將信道分成幾個(gè)相互正交的子信道，每個(gè)子信道都有自己的載波進(jìn)行調(diào)制，信號(hào)通過(guò)每個(gè)子信道獨(dú)立傳輸。如果每個(gè)子信道的帶寬足夠窄，則每個(gè)子信道的頻率特性可以近似視為平坦的，即每個(gè)子信道都可以視為沒有符號(hào)間干擾(ISI)的理想信道，這樣就可以在接收端可靠地解調(diào)接收信號(hào)，而不需要使用復(fù)雜的信道均衡技術(shù)。在OFDM系統(tǒng)中，在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，以確保頻域子信道之間的正交性，并消除OFDM符號(hào)之間的干擾。

但是需要注意的是，在發(fā)射端實(shí)際傳輸?shù)腛FDM時(shí)域序列的長(zhǎng)度是nd Nc，其中Nd是一個(gè)OFDM符號(hào)可以傳輸?shù)念l域符號(hào)的個(gè)數(shù)，前面加上長(zhǎng)度Nc的序列稱為CyclicPrefix或GuardInterval。利用這一點(diǎn)，前一個(gè)OFDM符號(hào)對(duì)當(dāng)前OFDM符號(hào)的干擾只影響循環(huán)前綴部分，而不影響當(dāng)前OFDM符號(hào)，這有效地消除了OFDM符號(hào)之間的干擾(ISI)。循環(huán)前綴的引入會(huì)降低系統(tǒng)的傳輸效率，但保證OFDM子載波間的正交性，消除OFDM符號(hào)間的干擾是必須付出的代價(jià)。OFDM技術(shù)之所以越來(lái)越受到關(guān)注，是因?yàn)镺FDM有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

(1)頻譜利用率很高，是串行系統(tǒng)的近兩倍。這在頻譜資源有限的無(wú)線環(huán)境中非常重要。OFDM信號(hào)的相鄰子載波相互重疊，理論上其頻譜利用率可以接近奈奎斯特極限。

(2)抗多徑干擾和頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。因?yàn)镺FDM系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分散在許多子載波上，所以每個(gè)子載波的符號(hào)率大大降低，從而減弱了多徑傳播的影響。如果使用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，符號(hào)間干擾甚至可以完全消除。

(3)采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)可以使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。通過(guò)選擇子信道、每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)和分配給子信道的功率，總比特率被最大化。也就是說(shuō)，各子信道的信息分配要遵循信息論中的“注水定理”，即高質(zhì)量信道多傳輸，差信道少傳輸，差信道不傳輸?shù)脑瓌t。

(4)通過(guò)每個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，可以具有很強(qiáng)的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身利用了信道的頻率分集。如果衰落不是特別嚴(yán)重，就不需要添加時(shí)域均衡器。然而，可以通過(guò)聯(lián)合編碼每個(gè)信道來(lái)提高系統(tǒng)性能。

(5)存在基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM快速算法。OFDM采用IFFT和FFT實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易于用DSP實(shí)現(xiàn)。

圖2 OFDM系統(tǒng)框圖

第四，MIMO和OFDM的結(jié)合

MIMO系統(tǒng)可以在一定程度上利用傳播中的多徑分量，這意味著MIMO可以抵抗多徑衰落，但對(duì)于頻率選擇性深衰落仍然無(wú)能為力。目前解決MIMO系統(tǒng)頻率選擇性衰落的方案一般采用均衡技術(shù)，另一種是OFDM。大多數(shù)研究者認(rèn)為，OFDM技術(shù)是4G的核心技術(shù)，4G需要一種頻譜利用率高的技術(shù)，但OFDM在提高頻譜利用率方面的作用畢竟有限。合理開發(fā)基于OFDM的空間資源，即MIMO-OFDM，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，ODFM由于碼率和時(shí)間保護(hù)間隔較低，具有較強(qiáng)的抗多徑干擾能力。因?yàn)槎鄰窖舆t小于保護(hù)間隔，所以系統(tǒng)不受符號(hào)間干擾的干擾，這允許單頻網(wǎng)絡(luò)(SFN)用于寬帶OFDM系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)，即由大量低功率發(fā)射組成的發(fā)射機(jī)陣列

在這種方案中，數(shù)據(jù)從串行轉(zhuǎn)換為并行兩次。首先將數(shù)據(jù)分成N個(gè)并行數(shù)據(jù)流，第N(N[1，N])個(gè)數(shù)據(jù)流第二次串并轉(zhuǎn)換成L個(gè)并行數(shù)據(jù)流，分別對(duì)應(yīng)L個(gè)子載波，L個(gè)并行數(shù)據(jù)流進(jìn)行IFFT變換，信號(hào)從頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，然后從第N(N[1]個(gè)開始，這樣總共傳輸NL個(gè)M-QAM符號(hào)。假設(shè)整個(gè)MIMO系統(tǒng)具有n個(gè)發(fā)射天線和m個(gè)接收天線。接收端m(m[1，M])天線接收的第一個(gè)子載波的接收信號(hào)為：

其中Hm，n，l為第n個(gè)發(fā)射天線到第m個(gè)接收天線在第l個(gè)子載波頻率上的信道矩陣，假設(shè)接收端已知該信道矩陣，Cn，l為第n個(gè)發(fā)射天線在第l個(gè)子載波頻率上發(fā)射的符號(hào)，m，l為第m個(gè)接收天線在第l個(gè)子載波頻率上接收的高斯白噪聲。這樣，接收機(jī)接收到的第L個(gè)子載波頻率上的N個(gè)符號(hào)就可以用V-BLAST算法解碼，重復(fù)L次就可以恢復(fù)NL個(gè)M-QAM符號(hào)。

4.1MIMO-OFDM信道估計(jì)

在具有傳輸分集的OFDM系統(tǒng)中，只有當(dāng)接收端具有良好的信道信息時(shí)，空時(shí)碼才能被有效解碼。估計(jì)信道參數(shù)的困難在于，每個(gè)子載波對(duì)應(yīng)于每個(gè)天線的多個(gè)信道參數(shù)。幸運(yùn)的是，對(duì)于不同的子載波，同一空間信道的參數(shù)是相關(guān)的。根據(jù)這種相關(guān)性，可以得到參數(shù)的估計(jì)方法。MIMO-OFDM系統(tǒng)一般有三種方法信道估計(jì)：非盲信道估計(jì)，盲信道估計(jì)，半盲信道估計(jì)。下面簡(jiǎn)單介紹這三種方法信道估計(jì)。

4.1.1非盲信道估計(jì)

非盲信道估計(jì)是在發(fā)射端發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)或訓(xùn)練序列，接收端根據(jù)接收到的信號(hào)估計(jì)導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列處的信道參數(shù)，然后根據(jù)導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列處的信道參數(shù)獲得數(shù)據(jù)信號(hào)處的信道參數(shù)。當(dāng)信道是時(shí)變信道時(shí)，即使是慢時(shí)變信道，也必須周期性地發(fā)送訓(xùn)練序列，以便及時(shí)更新信道估計(jì)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是估計(jì)誤差小，收斂速度快，缺點(diǎn)是因?yàn)榘l(fā)送導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列而浪費(fèi)了一些系統(tǒng)資源。

盲人信道估計(jì)

盲信道估計(jì)是在不知道導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列的情況下，利用信道的輸出和與輸入相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息來(lái)估計(jì)信道參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是傳輸效率高，缺點(diǎn)是魯棒性相對(duì)較差，收斂速度慢，計(jì)算量大。

4.1.3半盲法信道估計(jì)

半盲信道估計(jì)是在盲信道估計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它使用盡可能少的導(dǎo)頻信號(hào)或訓(xùn)練序列來(lái)確定blind信道估計(jì)算法所需的初始值，然后使用blind信道估計(jì)算法進(jìn)行跟蹤優(yōu)化，獲得信道參數(shù)。由于盲信道算法的高計(jì)算復(fù)雜度，仍然存在很多問(wèn)題，難以實(shí)用化。半盲信道估計(jì)算法有望在非盲算法和盲算法的基礎(chǔ)上折中，從而降低計(jì)算復(fù)雜度?？梢灶A(yù)見，盲和半盲信道估計(jì)的研究將成為MIMO-OFDM信道估計(jì)的研究重點(diǎn)。

動(dòng)詞（verb的縮寫）結(jié)論

未來(lái)的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)面臨兩個(gè)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。OFDM將頻率選擇性多徑衰落信道轉(zhuǎn)化為頻域平坦信道，降低了多徑衰落的影響，而MIMO技術(shù)可以在空間產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道，同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，從而有效提高系統(tǒng)的傳輸速率，即在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下提高頻譜效率。這樣，OFDM和MIMO的結(jié)合可以達(dá)到兩個(gè)效果：一是實(shí)現(xiàn)高傳輸速率，二是通過(guò)分集實(shí)現(xiàn)強(qiáng)可靠性，同時(shí)在MIMO-OFDM中加入合適的數(shù)字信號(hào)處理算法可以更好地增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MIMO-FDM技術(shù)是OFDM和MIMO技術(shù)相結(jié)合而形成的新技術(shù)。通過(guò)在OFDM傳輸系統(tǒng)中使用陣列天線實(shí)現(xiàn)空間分集，提高了信號(hào)質(zhì)量，充分利用了時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，大大增加了無(wú)線系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾和多徑的容忍度。因此，基于OFDM的MIMO系統(tǒng)具有接近極限的系統(tǒng)容量和良好的抗衰落特性?？梢灶A(yù)見，它將是下一代網(wǎng)絡(luò)采用的核心技術(shù)。

今天本文講解到此結(jié)束，希望對(duì)你有所幫助。

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