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什么是MIMO OFDM技術(shù)？

摘要

第四代移動通信提供了高數(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)成為第四代移動通信技術(shù)研究的熱點。通過這兩種技術(shù)的優(yōu)勢互補，可以為系統(tǒng)提供高傳輸速率，同時提高系統(tǒng)容量，降低成本。詳細介紹這兩種技術(shù)和信道估計。

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

一.導(dǎo)言

第四代移動通信目前還沒有確切的定義，但一致的解釋是：“第四代移動通信的概念可以稱為寬帶接入和分配網(wǎng)絡(luò)，非對稱數(shù)據(jù)傳輸能力超過2 Mbit/s.它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動寬帶系統(tǒng)、互操作廣播網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星系統(tǒng)。此外，第四代移動通信系統(tǒng)將是多功能的綜合寬帶移動通信系統(tǒng)，可以提供高達100Mbit/s甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時也是寬帶接入IP系統(tǒng)?！焙唵蝸碚f，4G就是一個超高速的無線網(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通過將總帶寬分成幾個窄帶子載波，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，可以成為新一代移動通信核心技術(shù)的解決方案。下面詳細介紹這兩種技術(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。這項技術(shù)由馬可尼在1908年首次提出，它使用多個天線來抑制信道衰落。MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別設(shè)置多個發(fā)射天線和接收天線。其出發(fā)點是將多個發(fā)射天線和多個接收天線結(jié)合起來，提高每個用戶的通信質(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，多徑會引起衰落，因此被視為有害因素。然而，對于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)化為對用戶通信性能有利的增強因素。MIMO技術(shù)有效利用隨機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帶寬的情況下，將無線通信的性能提高幾個數(shù)量級。假設(shè)發(fā)射端有N個發(fā)射天線和m個接收天線，在發(fā)射天線和接收天線之間形成MN信道矩陣H。在某個時間t，信道矩陣是：

發(fā)射功率平均分配到每個發(fā)射天線，因此容量公式為：

此時，可以獲得容量的近似表達式：

從上式可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。也就是說，利用MIMO信道可以指數(shù)級提高無線信道的容量，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)流通過串并變換分配到幾個傳輸速率相對較低的子信道上進行傳輸，在頻域上將信道分成幾個相互正交的子信道，每個子信道都有自己的載波進行調(diào)制，信號通過每個子信道獨立傳輸。如果每個子信道的帶寬足夠窄，則每個子信道的頻率特性可以近似視為平坦的，即每個子信道都可以視為沒有符號間干擾(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，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符號之間插入保護間隔，以確保頻域子信道之間的正交性，并消除OFDM符號之間的干擾。

但是需要注意的是，在發(fā)射端實際傳輸?shù)腛FDM時域序列的長度是nd Nc，其中Nd是一個OFDM符號可以傳輸?shù)念l域符號的個數(shù)，前面加上長度Nc的序列稱為CyclicPrefix或GuardInterval。利用這一點，前一個OFDM符號對當(dāng)前OFDM符號的干擾只影響循環(huán)前綴部分，而不影響當(dāng)前OFDM符號，這有效地消除了OFDM符號之間的干擾(ISI)。循環(huán)前綴的引入會降低系統(tǒng)的傳輸效率，但保證OFDM子載波間的正交性，消除OFDM符號間的干擾是必須付出的代價。OFDM技術(shù)之所以越來越受到關(guān)注，是因為OFDM有很多獨特的優(yōu)勢：

(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線環(huán)境中非常重要。OFDM信號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。因為OFDM系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分散在許多子載波上，所以每個子載波的符號率大大降低，從而減弱了多徑傳播的影響。如果使用循環(huán)前綴作為保護間隔，符號間干擾甚至可以完全消除。

(3)采用動態(tài)子載波分配技術(shù)可以使系統(tǒng)達到最大比特率。通過選擇子信道、每個符號的比特數(shù)和分配給子信道的功率，總比特率被最大化。也就是說，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)通過每個子載波的聯(lián)合編碼，可以具有很強的抗衰落能力。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，就不需要添加時域均衡器。然而，可以通過聯(lián)合編碼每個信道來提高系統(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實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易于用DSP實現(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，但對于頻率選擇性深衰落仍然無能為力。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由于碼率和時間保護間隔較低，具有較強的抗多徑干擾能力。因為多徑延遲小于保護間隔，所以系統(tǒng)不受符號間干擾的干擾，這允許單頻網(wǎng)絡(luò)(SFN)用于寬帶OFDM系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多個天線實現(xiàn)，即由大量低功率發(fā)射組成的發(fā)射機陣列

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個并行數(shù)據(jù)流，第N(N[1，N])個數(shù)據(jù)流第二次串并轉(zhuǎn)換成L個并行數(shù)據(jù)流，分別對應(yīng)L個子載波，L個并行數(shù)據(jù)流進行IFFT變換，信號從頻域轉(zhuǎn)換到時域，然后從第N(N[1]個開始，這樣總共傳輸NL個M-QAM符號。假設(shè)整個MIMO系統(tǒng)具有n個發(fā)射天線和m個接收天線。接收端m(m[1，M])天線接收的第一個子載波的接收信號為：

其中Hm，n，l為第n個發(fā)射天線到第m個接收天線在第l個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個發(fā)射天線在第l個子載波頻率上發(fā)射的符號，m，l為第m個接收天線在第l個子載波頻率上接收的高斯白噪聲。這樣，接收機接收到的第L個子載波頻率上的N個符號就可以用V-BLAST算法解碼，重復(fù)L次就可以恢復(fù)NL個M-QAM符號。

4.1MIMO-OFDM信道估計

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，空時碼才能被有效解碼。估計信道參數(shù)的困難在于，每個子載波對應(yīng)于每個天線的多個信道參數(shù)。幸運的是，對于不同的子載波，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)的估計方法。MIMO-OFDM系統(tǒng)一般有三種方法信道估計：非盲信道估計，盲信道估計，半盲信道估計。下面簡單介紹這三種方法信道估計。

4.1.1非盲信道估計

非盲信道估計是在發(fā)射端發(fā)送導(dǎo)頻信號或訓(xùn)練序列，接收端根據(jù)接收到的信號估計導(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)信號處的信道參數(shù)。當(dāng)信道是時變信道時，即使是慢時變信道，也必須周期性地發(fā)送訓(xùn)練序列，以便及時更新信道估計。這種方法的優(yōu)點是估計誤差小，收斂速度快，缺點是因為發(fā)送導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列而浪費了一些系統(tǒng)資源。

盲人信道估計

盲信道估計是在不知道導(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)計信息來估計信道參數(shù)。其優(yōu)點是傳輸效率高，缺點是魯棒性相對較差，收斂速度慢，計算量大。

4.1.3半盲法信道估計

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

動詞（verb的縮寫）結(jié)論

未來的寬帶無線通信系統(tǒng)面臨兩個最嚴(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)生獨立的并行信道，同時傳輸多個數(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)合可以達到兩個效果：一是實現(xiàn)高傳輸速率，二是通過分集實現(xiàn)強可靠性，同時在MIMO-OFDM中加入合適的數(shù)字信號處理算法可以更好地增強系統(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)。通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中使用陣列天線實現(xiàn)空間分集，提高了信號質(zhì)量，充分利用了時間、頻率和空間三種分集技術(shù)，大大增加了無線系統(tǒng)對噪聲、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，希望對你有所幫助。

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