MIMO-OFDM系統(tǒng)原理及其關(guān)鍵技術(shù)

   
　　摘 要

介紹了第四代移動通信系統(tǒng)中的MIMO-OFDM技術(shù)，闡述了OFDM、MIMO技術(shù)及MIMO-OFDM系統(tǒng)的基本原理與特點，并介紹了MIMO空時信號處理技術(shù)、MIMO OFDM同步、信道估計、信道編碼以及自適應技術(shù)。

引言

未來的寬帶無線通信系統(tǒng)，將在高穩(wěn)定性和高數(shù)據(jù)傳輸速率的前提下，滿足從語音到多媒體的多種綜合業(yè)務需求。而要在有限的頻譜資源上實現(xiàn)綜合業(yè)務內(nèi)容的快速傳輸，需要頻譜效率極高的技術(shù)。MIMO技術(shù)充分開發(fā)空間資源，利用多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。OFDM（正交頻分復用）技術(shù)是多載波窄帶傳輸?shù)囊环N，其子載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。二者的有效結(jié)合可以克服多徑效應和頻率選擇性衰落帶來的不良影響，實現(xiàn)信號傳輸?shù)母叨瓤煽啃�，還可以增加系統(tǒng)容量，提高頻譜利用率，是第四代移動通信的熱點技術(shù)。

OFDM技術(shù)原理及實現(xiàn)

無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成多個正交子信道，然后將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成多個并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個信道的子載波上進行窄帶傳輸。

每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道可以看成平坦性衰落，從而可以消除信道波形間的干擾。由于OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，OFDM系統(tǒng)采用正交方法來區(qū)分不同子載波，子載波間的頻譜可以相互重疊，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又極大地提高了頻譜利用率。如圖1可見OFDM的正交性。

圖1 OFDM信號頻譜

由于OFDM系統(tǒng)中有大量載波，所以在實際應用中不可能像傳統(tǒng)的處理方法一樣，使用幾十個甚至幾百個振蕩器和鎖相環(huán)進行相干解調(diào)。因此，Weinstein提出了一種用離散傅里葉變換實現(xiàn)OFDM的方法。

設(shè)OFDM信號發(fā)射周期為［0，T］,在一個周期內(nèi)傳輸?shù)腘個符號為(D0，D1，…，DN-1)。第k個符號Dk調(diào)制第k個載波fk，所以合成的OFDM信號為:

由式⑤可見，以fs對C(t)采樣所得的N個樣值(C0，C1，…，CN-1)剛好為(D0，D1，…，DN-1)的N點反向離散傅里葉變換(IDFT)。因此OFDM系統(tǒng)可以這樣實現(xiàn)：在發(fā)射端，先由(D0，D1，…，DN-1)的IDFT求得(C0，C1，…，CN-1)，再經(jīng)過低通濾波器即得所需的OFDM信號C(t);在接收端，先對C(t)采樣得到(C0，C1，…，CN-1)，再對(C0，C1，…，CN-1)求DFT，即得(D0，D1，…，DN-1)。

在實際應用中，可以使用DFT的快速算法FFT來實現(xiàn)，采用易于實現(xiàn)的FFT和IFFT技術(shù)，可以快速實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，而且容易利用DSP電路簡單實現(xiàn)，大大降低了OFDM系統(tǒng)的復雜性。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，許多DSP芯片的運算能力越來越快，顯著改善了系統(tǒng)的性能，更進一步推動了OFDM技術(shù)的發(fā)展。目前，OFDM技術(shù)已被普遍認為是新一代無線通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。

盡管OFDM有著種種優(yōu)勢，但是對于高速無線通信時代，單純的OFDM系統(tǒng)傳輸容量仍無法大幅提高，因此，MIMO與OFDM技術(shù)的結(jié)合成為一種優(yōu)化組合。

MIMO原理及其技術(shù)實現(xiàn)

MIMO技術(shù)是針對多徑無線信道來說的，是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，從而提高數(shù)據(jù)速率、減少誤比特率，改善無線信號傳送質(zhì)量。如圖2所示，MIMO系統(tǒng)同時利用信道編碼和多天線技術(shù)，信號S(t)經(jīng)過空時編碼形成N個發(fā)射子流Wk(t)，（k=0，1，……，N-1）。這N個子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間傳輸后由M個接收天線接收。MIMO接收機通過空時解碼處理這些子數(shù)據(jù)流，對其進行區(qū)分和解碼，從而實現(xiàn)最佳的信號處理。MIMO系統(tǒng)正是依靠這種同時使用空域和時域分集的方法來降低信道誤碼率，提高無線鏈路的可靠性。

圖2 MIMO系統(tǒng)信道模型

另一方面，這N個子流同時發(fā)射時，只占用同一傳輸信道，并不會增加使用帶寬。在自由空間里，MIMO系統(tǒng)占用比普通天線系統(tǒng)更多的傳輸空間，用來在各發(fā)射和接收天線間構(gòu)筑多條相互獨立的通道，產(chǎn)生多個并行空間信道，并通過這些并行的空間信道獨立地傳輸信息，達到了空間復用的目的，以此方式來提高系統(tǒng)的傳輸容量。

對于天線數(shù)與信道容量的關(guān)系，我們可以假設(shè)在發(fā)射端，各天線發(fā)射獨立的等功率信號，而且各信號滿足Rayleigh（瑞利）分布，根據(jù)MIMO系統(tǒng)的信道傳輸特性和香農(nóng)信道容量計算方法，推導出平衰落MIMO系統(tǒng)信道容量近似表達式為:⑥。

其中B為信號帶寬，SNR為接收端平均信噪比，min(N,M)為發(fā)射天線數(shù)量N和接收天線數(shù)量M中的最小者。式⑥表明，在同等傳輸帶寬，而且接收端信噪比不變化的情況下（基本取決于外界條件和發(fā)射功率的變化），多入多出系統(tǒng)的信道容量隨最小天線數(shù)目的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)量的對數(shù)增加而增加。相對而言，在不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發(fā)射功率的情況下，利用MIMO技術(shù)可以成倍地提高系統(tǒng)傳輸容量，大大提高了頻譜利用率，這是無線通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。

MIMO-OFDM系統(tǒng)

3.1 MIMO、OFDM系統(tǒng)組合的必要性

在高速寬帶無線通信系統(tǒng)中，多徑效應、頻率選擇性衰落和帶寬效率是信號傳輸過程中必須考慮的幾個關(guān)鍵問題。多徑效應會引起信號的衰落，因而被視為有害因素。然而MIMO系統(tǒng)是針對多徑無線信道而產(chǎn)生的，在一定程度上可以利用傳播過程中產(chǎn)生的多徑分量，多徑效應對其影響并不大，反而可以作為一個有利因素加以使用。但MIMO對于頻率選擇性衰落仍無法避免，而解決頻率選擇性衰落問題恰恰正是OFDM的一個長處。

OFDM技術(shù)實質(zhì)上是一種多載波窄帶調(diào)制，可以將寬帶信道轉(zhuǎn)化成若干個平坦的窄帶子信道，每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，所以每個子信道上的頻率選擇性衰落可以看作是平坦性衰落。 OFDM被認為是第四代移動通信中的核心技術(shù)，然而4G需要高的頻譜利用技術(shù)和高速傳輸系統(tǒng)，為了進一步提高系統(tǒng)傳輸速率，使用OFDM技術(shù)的無線通信網(wǎng)就必須增加載波的數(shù)量，而這種方法會造成系統(tǒng)復雜度的增加，并增大系統(tǒng)的占用帶寬。而MIMO多天線技術(shù)能在不增加帶寬的情況下，在每一個窄帶平坦子信道上獲得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜效率，是一種利用空間資源換取頻譜資源的技術(shù)。

因此MIMO-OFDM系統(tǒng)的提出是無線通信領(lǐng)域的重大突破，其頻譜利用率高、信號傳輸穩(wěn)定、高傳輸速率等基本特性能夠滿足下一代無線傳輸網(wǎng)發(fā)展要求。MIMO-OFDM系統(tǒng)內(nèi)組合了多輸入和多輸出天線和正交頻分復用調(diào)制兩大關(guān)鍵技術(shù)。這種系統(tǒng)通過空間復用技術(shù)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又可以通過空時分集和正交頻分復用達到很強的可靠性和頻譜利用率。

3.2 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型

在典型的MIMO-OFDM系統(tǒng)模型中，發(fā)射端（N個發(fā)射天線）工作流程如下：輸入的數(shù)據(jù)符號流經(jīng)串/并電路分成N個子符號流，采用信道編碼技術(shù)對每個符號流進行無失真壓縮并加入冗余信息，調(diào)制器對編碼后的數(shù)據(jù)進行空時調(diào)制；調(diào)制后的信號在IFFT電路中實現(xiàn)OFDM調(diào)制處理，完成將頻域數(shù)據(jù)變換為時域數(shù)據(jù)的過程，然后輸出的每個OFDM符號前加一個循環(huán)前綴以減弱信道延遲擴展產(chǎn)生的影響，每個時隙前加前綴用以定時，這些處理過的OFDM信號流相互平行地傳輸，每一個信號流對應一個指定的發(fā)射天線，并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換及射頻模塊處理后發(fā)射出去。

圖3 帶自適應方案的MIMO-OFDM系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

接收端進行與發(fā)射端相反的信號處理過程，首先通過接收端的M根接收天線接收信號，這些信號經(jīng)過放大、變頻、濾波等射頻處理后，得到基帶模擬接收信號;并分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進行同步，在去循環(huán)前綴后通過FFT解調(diào)剩下的OFDM符號;此時，時延數(shù)據(jù)變換成為頻域數(shù)據(jù)，接下來在頻域內(nèi)，從解調(diào)后的OFDM符號中提取出頻率導頻，然后通過精細的頻率同步和定時，準確地提取出導頻和數(shù)據(jù)符號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)還原。

如上說明，IFFT/FFT和循環(huán)前綴的添加和去除過程都在每一個獨立的發(fā)送和接收模塊內(nèi)完成，而MIMO的空時編碼和空間復用處理技術(shù)也可以應用于OFDM的每個子載波上（對應平衰落信道）。總而言之，在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，增加了頻域的分集和復用作用，帶來了更大的系統(tǒng)增益和系統(tǒng)容量。

MIMO-OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 MIMO空時信號處理技術(shù)

空時信號處理是隨著MIMO技術(shù)而誕生的一個嶄新的概念，與傳統(tǒng)信號處理方式的不同之處在于其同時從時間和空間兩方面研究信號的處理問題�？諘r信號處理包括發(fā)射端的信令方案和接收端的檢測算法。從信令方案的角度看，MIMO可以大致分為空時編碼（STC:Space Time Coding）和空間復用（SM:Spatial Multiplexing）兩種。

（1）空時編碼技術(shù)

空時編碼技術(shù)在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度，從而使信號在接收端獲得最大的分集增益和編碼增益;但它的缺點是無法提高數(shù)據(jù)傳輸速率。一般而言，空時編碼包括空時格碼(STTC: Space-Time Trellis Code)和空時分組碼(STBC:Space-Time Block Code)。空時格碼可以實現(xiàn)滿分集增益，并且具有相應的編碼增益，抗衰落性能比較好。空時分組碼也可以獲得滿分集增益，而且這種技術(shù)只需在接收端進行簡單的線性處理，大大簡化了接收機的結(jié)構(gòu)。

（2）空間復用技術(shù)

空間復用是通過不同的天線盡可能多地在空間信道上傳輸相互獨立的數(shù)據(jù)。MIMO技術(shù)的空間復用就是在接收端和發(fā)射端使用多個天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一信道上使用多個數(shù)據(jù)通道（MIMO子信道）發(fā)射信號，從而使得信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。這種信道容量的增加不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發(fā)射功率，因此是增加信道和系統(tǒng)容量的一種非常有效的手段。

目前，該技術(shù)主要的解碼方法有ZF、MMSE、ML、BLAST等。典型的空間復用技術(shù)是貝爾實驗室的空時分層結(jié)構(gòu)(BLAST)，包括V-BLAST, H-BLAST和D-BALST三種。其中最基本的形式是針對平衰落信道的V-BLAST結(jié)構(gòu)，它沒有得到空間分集，而是純粹的MIMO多路傳輸，可獲得最大速率或流量增益。

空間復用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益。將空間復用和空時編碼相結(jié)合，能在保證每個數(shù)據(jù)流獲得最小分集增益的條件下，最大化平均數(shù)據(jù)率，從而得到高頻譜效率和傳輸質(zhì)量的良好折中。目前將空間復用和空時編碼相結(jié)合的方案主要有兩種，即鏈接編碼和使用塊碼映射的自適應MIMO系統(tǒng)。

4.2 同步

對于無線通信來說，無線信道存在時變性，在傳輸中存在的頻率偏移會使MIMO-OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的損害。

由于發(fā)送端和接受端之間的采樣時鐘有偏差，每個信號樣本都一定程度地偏離它正確的采樣時間，此偏差隨樣本數(shù)量的增加而線性增大，盡管時間偏差會破壞子載波之間的正交性，但是通常情況下可以忽略不計。當采樣錯誤可以被校正時，就可以用內(nèi)插濾波器來控制正確的時間進行采樣。

相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響;其次也會引入一定量的信道間干擾，因為相位誤差導致子載波的間隔不再是精確的1/Ｔ了。

為解決MIMO-OFDM的同步問題，出現(xiàn)了多種同步算法，主要是針對循環(huán)擴展和特殊的訓練序列以及導頻信號來進行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計算法，其中ESPRIT算法雖然估計精度高，但計算復雜、計算量大;而ML算法利用OFDM信號的循環(huán)前綴，可以有效地對MIMO-OFDM信號進行頻偏和時偏的聯(lián)合估計，而且與ESPRIT算法相比，其計算量要小得多。目前，對MIMO-OFDM技術(shù)的同步算法研究得比較多，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設(shè)計和研究，利用各種算法融合進行聯(lián)合估計才是可行的。

4.3 信道估計

在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，發(fā)送端編碼和接收端信號檢測都需要真實準確的信道狀態(tài)信息。信道狀態(tài)信息的準確性將直接影響著MIMO-OFDM系統(tǒng)的整體性能。然而對于MIMO-OFDM系統(tǒng)，不同的信號同時從不同的天線發(fā)射出去，對于每一個天線、每一個子載波都會對應很多個信道參數(shù)，信道參數(shù)太多，對信道估計帶來了較大的困難。但對于不同的子載波，同一空分信道的參數(shù)是相關(guān)的，我們可以利用這一相關(guān)特性得到參數(shù)的估計方法。

4.4 信道糾錯編碼

糾錯編碼技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字通信的作用毋庸置疑，作為改善數(shù)字信道通信可靠性的一種有效手段，低復雜度、高性能的編碼方案明顯可以大大提高系統(tǒng)的性能。在數(shù)字通信領(lǐng)域，比較常用的編碼方法主要有卷積碼、分組碼、Turbo碼和LDPC（低密度奇偶校驗）碼。而其中最受人們關(guān)注、理論最成熟的是Turbo碼和LDPC碼。

Turbo碼可獲得比傳統(tǒng)級連碼更大的編碼增益，被認為是大編碼存儲卷積碼或傳統(tǒng)級連碼的替代方案。但是，對于使用Turbo的系統(tǒng)來說，其解碼的復雜度遠高于編碼的復雜度，無線通信系統(tǒng)要求的是一個復雜度很低的終端，以盡量節(jié)省系統(tǒng)成本。于是，解碼復雜度低的LDPC編解碼技術(shù)開始大量運用。

LDPC（低密度奇偶校驗碼）是一類可以用非常稀疏的Parity-check（奇偶校驗矩陣）或Bi-Partite graph(二分圖)定義的線性分組糾錯碼。其特點是：性能優(yōu)于Turbo碼，具有較大的靈活性和較低的差錯平底特性（error floors）；描述簡單，對嚴格理論分析具有可驗證性；譯碼復雜度低于turbo碼，且可實現(xiàn)完全的并行操作；硬件復雜度低，因而適合硬件實現(xiàn)；吞吐量大，極具高速譯碼潛力。因此，結(jié)合LDPC的無線通信系統(tǒng)必將獲得更好的性能。

4.5 自適應技術(shù)

MIMO-OFDM系統(tǒng)可以將無線通信的信號處理從時頻分集擴展為空時頻分集，進一步分割信道為空時頻正交子信道。這樣，就需要根據(jù)各個子信道的實際傳輸情況靈活地分配發(fā)送功率和信息比特，以最大限度地提高系統(tǒng)容量。而且由于無線信道的頻率選擇性和時變性，也需要實時地對信道進行檢測，以便更加有效地利用無線資源。

自適應傳輸?shù)幕�本思想是根�?jù)傳輸信道的實際情況，改變發(fā)射功率的水平、每個子信道的符號傳輸速率、QAM星座大小、編碼等參數(shù)或這些參數(shù)的組合以維持恒定的誤碼率。對于同一MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的所有子載波來說，其誤碼率主要由經(jīng)歷衰落最嚴重的子信道決定。在頻率選擇性衰落信道中，隨著平均信噪比的增加，系統(tǒng)的誤碼率下降十分緩慢。可以對不同的子信道選用不同的無線傳輸參數(shù)，即采用不同的發(fā)射功率、傳輸速率、調(diào)制和編碼參數(shù)，使信噪比不同的每個子信道得到其最佳的一一對應的傳輸方案。簡單地說，就是在不犧牲誤碼率的情況下，通過傳輸質(zhì)量好的子信道采用高速傳輸，而在質(zhì)量不好的子信道以降低傳輸速率等方式來提供較高的頻譜使用效率。

自適應技術(shù)大大減少了對均衡和交織的依賴，提升了通信系統(tǒng)的性能。

小結(jié)

將MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)優(yōu)化結(jié)合，能夠充分利用這兩種技術(shù)優(yōu)點，既能提高分集增益和系統(tǒng)容量，又能增加頻譜利用率，有效對抗頻率選擇性衰落。在先進的編碼和自適應技術(shù)的支持下，MIMO和OFDM的結(jié)合應用，將成為第四代移動通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

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