MIMOOFDM技術(shù)

1、MIMO-OFDM技術(shù)MIMO-OFDM技術(shù)1 MIMO技術(shù)無(wú)線通信的不可靠性主要是由無(wú)線衰落信道的時(shí)變和多徑特性引起的，如何有效地對(duì)抗無(wú)線信道的衰落是高速移動(dòng)通信必須要解決的問題。在無(wú)線通信系統(tǒng)中提高信息傳輸可靠性的一種有效手段是采用分集技術(shù)，以多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)為代表的空間分集技術(shù)是當(dāng)前的優(yōu)選方案之一。MIMO的意思是Multiple Input Multiple Output，其原理為MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道。任何一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個(gè)天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個(gè)無(wú)線MIMO系統(tǒng)。MIMO技術(shù)是現(xiàn)代通信的一大突

2、破，該技術(shù)提供了解決未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸的方法。MIMO技術(shù)的核心思想是信號(hào)的空間-時(shí)間聯(lián)合處理，即把數(shù)字信號(hào)固有的時(shí)間維度與多個(gè)空間分離天線帶來(lái)的空間維度聯(lián)合起來(lái)。在某種意義上，MIMO技術(shù)也可以看作是傳統(tǒng)智能天線技術(shù)的擴(kuò)展。1.1 概述聯(lián)合考慮發(fā)送分集和接收分集就構(gòu)成了多輸入多輸出（MIMO，Multi-Input Multi-Output）系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠獲得更大的分集增益。MIMO系統(tǒng)的重要特征是能夠利用無(wú)線通信的多徑傳播特性來(lái)提高系統(tǒng)的性能，即能夠有效地利用無(wú)線鏈路中的隨機(jī)衰落和延遲擴(kuò)展特性來(lái)成倍地提高傳輸?shù)乃俾驶蚩煽啃浴?.2 分集技術(shù)為了保證無(wú)線通信的可靠傳輸，主要用于補(bǔ)償信道衰

3、落損耗的分集技術(shù)是其中一種十分有效的方法。分集技術(shù)，是指在通信的過程中，系統(tǒng)要能夠提供發(fā)送信號(hào)的副本，使得接收機(jī)能夠獲得更加準(zhǔn)確的判斷。根據(jù)獲得獨(dú)立路徑信號(hào)的方法的不同可以分為時(shí)間分集、頻率分集和空間分集等。其中，空間分集技術(shù)沒有時(shí)延和環(huán)境的限制，能夠獲得更好的系統(tǒng)性能，可以分為接收分集和發(fā)射分集。傳統(tǒng)的空間分集主要是接收分集，在這種接收方式中接收機(jī)對(duì)它收到的多個(gè)衰落特性相互獨(dú)立但攜帶同一信息的信號(hào)進(jìn)行特定的處理，以降低信號(hào)電平的起伏，這樣顯然會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)的復(fù)雜度增加。而發(fā)射分集只需要在基站端增加天線，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，因而得到了廣泛關(guān)注。所有的發(fā)射分集技術(shù)本質(zhì)上都具有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是要使各

4、個(gè)發(fā)射天線到達(dá)接收機(jī)端的信號(hào)相互獨(dú)立，而且無(wú)論采用什么方法，接收機(jī)都必須能夠區(qū)別出來(lái)自不同天線的信號(hào)，然后將它們合并在一起，從而獲得分集增益。1.3 MIMO系統(tǒng)圖1.1 MIMO系統(tǒng)示意圖MIMO系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)智能天線的優(yōu)點(diǎn)，圖1.1所示為多天線MIMO系統(tǒng)示意圖，二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過信道編碼、調(diào)制映射后通過發(fā)送天線發(fā)送出去，不同的映射方法將產(chǎn)生不同數(shù)量的符號(hào)流，然后不同的符號(hào)流傳送到不同的天線上進(jìn)行發(fā)送。映射可以是天線元素的線性空間加權(quán)，也可以是線性空時(shí)編碼。然后經(jīng)過上變頻、成形濾波器和功率放大后，符號(hào)被發(fā)送到空間無(wú)線鏈路中。在接收端，利用多個(gè)天線接收發(fā)送的信號(hào)，然后經(jīng)過解調(diào)、逆映射后恢復(fù)出原

5、始信息。具體的編碼方法和映射算法根據(jù)不同的應(yīng)用目的可以自由選擇。綜上，MIMO系統(tǒng)中多個(gè)天線上的信號(hào)在更大的空間上被優(yōu)化處理了，所以可以提供額外的自由度。這就是說，除了不同天線元組之上的信號(hào)相干合并帶來(lái)的陣列增益外，MIMO系統(tǒng)還能夠提供發(fā)送和接收分集增益。此外，MIMO系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是在矩陣形式的信道而不是矢量形式的信道中傳輸?shù)?，因此除了上述的分集和陣列增益外，MIMO還會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)容量的增加。MIMO系統(tǒng)中多個(gè)信道之間的獨(dú)立性取決于系統(tǒng)中多徑的富有程度（MIMO信道的空間選擇性），因此MIMO系統(tǒng)能有效利用系統(tǒng)的多徑特性。通常，用MIMO信道矩陣的秩來(lái)表示系統(tǒng)中獨(dú)立信道的個(gè)數(shù)，顯然信道矩陣的秩

6、比發(fā)射天線和接收天線的個(gè)數(shù)都要小。通過線性代數(shù)分析可知，安全通過MIMO系統(tǒng)發(fā)送的信息符號(hào)的最大值為矩陣的秩。就工程意義而言，無(wú)線鏈路的頻譜效率是由發(fā)送的信息流數(shù)據(jù)和誤比特率（BER）共同決定的，實(shí)際系統(tǒng)中通過對(duì)多個(gè)天線上的比特流進(jìn)行空時(shí)編碼處理，可以大大降低誤比特率。2 MIMO-OFDM技術(shù)2.1MIMO-OFDM的基本思想眾所周知，在未來(lái)的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中，存在兩個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，即多徑衰落信道和帶寬效率。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)變成平坦信道，從而減小了多徑衰落的影響；而MIMO技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就有效地增加了系統(tǒng)容童，即由MI

7、MO提供的空間復(fù)用技術(shù)能夠在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜利用率。如果將OFDM和MIMO兩種技術(shù)相結(jié)合，就能夠達(dá)到兩種效果：一是通過復(fù)用系統(tǒng)具有很高的系統(tǒng)容童和頻譜利用率，二是通過分集系統(tǒng)具有很高的系統(tǒng)可靠性。同時(shí)，在多輸入多輸出正交頻分復(fù)用（MIMO-OFDM）系統(tǒng)中加入合適的數(shù)字信號(hào)處理的算法，即空時(shí)編碼，還可以更好地增強(qiáng)系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。2.2空時(shí)編碼技術(shù)從信息論的角度看，多天線MIMO系統(tǒng)在信道容量上比單天線系統(tǒng)有顯著的提高，這些增加的信道容量可以用來(lái)提高信息傳輸速率，也可以在保持信息傳輸速率不變的情況下通過增加信息冗余來(lái)提高通信系統(tǒng)的可靠性，一般可以在兩者之間取一合理的折衷?？諘r(shí)編

8、碼（Space-Time-Code）技術(shù)是在1998年由Vahid Tarokh等人提出的一項(xiàng)基于發(fā)射分集的技術(shù)，其主要思想是：在發(fā)射端，采用適合多天線傳輸?shù)木幋a技術(shù)，保證在多數(shù)信道情況下獲得比較好的性能，同時(shí)在接收端進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理，就能夠獲得很大的性能增益，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸?？諘r(shí)編碼本質(zhì)上是在時(shí)間和空間上的二維編碼，它可以降低無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)多徑衰落的敏感程度，在限定發(fā)射總功率的情況下可以提高信息傳輸?shù)目煽啃?，在相同碼率的前提下，又能大大提高無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸效率，其頻譜有效性可以達(dá)到當(dāng)前系統(tǒng)的幾十倍。MIMO系統(tǒng)中的編碼方法主要有：空時(shí)分組編碼（Space-Time Block C

9、oding，STBC）、空時(shí)格狀編碼（Space-Time Trel is Coding,STTC）和分層空時(shí)編碼(Layered Space-time Coding,LSTC)。前兩種方法重在提高傳輸可靠性，屬于空時(shí)編碼的范疇；后者重在提高頻譜利用率，屬于空時(shí)復(fù)用技術(shù)的范疇。2.3 MIMO-OFDM 系統(tǒng) 圖2.1 MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的系統(tǒng)框圖圖2.1所示為MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的系統(tǒng)框圖，從圖中可以看出，輸入的信息比特流經(jīng)過一個(gè)串并變換器變成多路輸入的數(shù)據(jù)流，以實(shí)現(xiàn)多天線的輸出。對(duì)于每一路信號(hào)，都要經(jīng)過信號(hào)映射，其中不僅包括了對(duì)輸入數(shù)據(jù)流的星座映射，而且還涉及了具體的編碼

10、調(diào)制等。映射后的每一路信號(hào)變換成一定子載波數(shù)量的數(shù)據(jù)流作為接下來(lái)的 IFFT的輸入，而加入循環(huán)前綴的目的是為了在每個(gè)OFDM的符號(hào)間加上保護(hù)間隔，減小OFDM的符號(hào)間干擾。圖2.2所示為MIMO-OFDM系統(tǒng)接收端的系統(tǒng)框圖，從圖中可以看出，接收到的每一路OFDM數(shù)據(jù)流首先要經(jīng)過一個(gè)去除循環(huán)前綴的處理，把OFDM符號(hào)的有用部分提取出來(lái)用于FFT變換。每個(gè)FFT變換產(chǎn)生的第i路數(shù)據(jù)流中包含相同發(fā)射端的輸入信息，因此要將這樣的數(shù)據(jù)流經(jīng)過相同的空間多路檢測(cè)器，進(jìn)行檢測(cè)判決，最后數(shù)據(jù)流通過一個(gè)并串變換器送入到解調(diào)器。 圖2.2 MIMO-OFDM系統(tǒng)接收端的系統(tǒng)框圖上述的圖2.1和圖2.2給出完整的基

11、于空間復(fù)用的MIMO-OFDM系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)能夠同時(shí)利用空間復(fù)用技術(shù)和OFDM技術(shù)的特點(diǎn)，有利于提高系統(tǒng)的容量和傳輸速率。通過多路數(shù)據(jù)流在發(fā)送天線的同時(shí)發(fā)射，可以實(shí)現(xiàn)在相同帶寬情況下的多路空間并行信道，不僅發(fā)揮了OFDM技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有效地利用了空間的并行性和頻率選擇性。在接收判決的一方，需要采用將接收信號(hào)轉(zhuǎn)化成若干個(gè)子信號(hào)分別進(jìn)行OFDM子載波處理的方式。3 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的空時(shí)編碼技術(shù)3.1空時(shí)編碼（STC）技術(shù)（1）空時(shí)分組編碼（STBC）空時(shí)分組編碼技術(shù)是將發(fā)送分集與正交編碼相結(jié)合，具有相對(duì)簡(jiǎn)單的編譯碼算法和較好的性能，而且容易實(shí)現(xiàn)，受到了廣泛關(guān)注。STBC

12、實(shí)質(zhì)上是將同一信息經(jīng)過正交編碼后從兩根天線上發(fā)送出去，兩路信號(hào)由于具有正交性，在接收端可以將兩路獨(dú)立的信號(hào)區(qū)別出來(lái)，然后只需要做簡(jiǎn)單的線性合并就可以獲得分集增益。（2）空時(shí)格狀編碼（STTC） 空時(shí)格狀編碼是在空時(shí)延遲分集和格狀碼的基礎(chǔ)上提出的，主要是將發(fā)送分集與格狀編碼調(diào)制相結(jié)合，空時(shí)延遲分集可以看作是空時(shí)格狀碼的一個(gè)特例。圖3.1 延時(shí)發(fā)送分集 圖3.1所示為早期采用的延時(shí)發(fā)送分集的模型框圖，圖中編碼后的數(shù)據(jù)首先被重復(fù)一次，然后通過一個(gè)串并變換器，分成兩個(gè)完全相同的數(shù)據(jù)流。其中一路數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制后直接從一個(gè)天線發(fā)送出去;另一路數(shù)據(jù)流經(jīng)過一個(gè)符號(hào)的延時(shí)后，再經(jīng)調(diào)制從另一個(gè)天線發(fā)送出丟。由于數(shù)

13、據(jù)在兩個(gè)天線上同時(shí)發(fā)送，不同的只是一路數(shù)據(jù)被延時(shí)了一個(gè)符號(hào)，所以盡管采用了延時(shí)編碼，卻不會(huì)存在頻帶效率的損失。在接收端，通過Viterbi譯碼進(jìn)行解調(diào)。這種延時(shí)的分集就是空時(shí)編碼的雛形。STTC就是由上述的延時(shí)發(fā)送分集來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它具有卷積碼的特性，將編碼、調(diào)制、發(fā)射分集結(jié)合在一起，能夠在不增加傳送帶寬和不改變信息速率的情況下，獲得最大的編碼增益和分集增益，并且使得系統(tǒng)的性能有很大提高。STTC是利用某種網(wǎng)格圖，將同一信息通過多根天線發(fā)射出去，在接收端，采用基于歐氏距離的Viterbi譯碼器譯碼。由于譯碼復(fù)雜度將隨著傳輸速率的增加呈指數(shù)級(jí)增加，所以在實(shí)際的應(yīng)用中，需要在編碼和分集之間取一折衷。（

14、3）分層空時(shí)編碼(LSTC)分層空時(shí)編碼是基于空間復(fù)用的，它是最早的MIMO技術(shù)之一。其墓本思想是:首先將高速的信源數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換為若干個(gè)低速數(shù)據(jù)流，獨(dú)立地進(jìn)行分層的空時(shí)編碼、調(diào)制，然后再按照一定的規(guī)則送到多副天線上發(fā)送，由于在不同發(fā)送天線上傳輸?shù)姆?hào)之間投有直接的變換關(guān)系，因而它不是荃于發(fā)送分集的。 在分層空時(shí)編碼模型的接收端，需要用多個(gè)天線分集接收，信道參數(shù)通過信道估計(jì)獲得，結(jié)合線性判決反饋均衡器實(shí)現(xiàn)分層的反饋干擾抵消，然后進(jìn)行分層空時(shí)譯碼，再由單個(gè)信道譯碼器完成信道譯碼。圖3.2和圖3.3分別為分層空時(shí)編碼的發(fā)送和接收模型框圖。 圖3.2 分層時(shí)空編碼發(fā)送模型框圖 圖3.3 分層時(shí)空編碼接

15、收模型框圖基于空間復(fù)用考慮的分層空時(shí)編碼系統(tǒng)比較適合于室內(nèi)環(huán)境，不太適合于室外移動(dòng)環(huán)境，而且要求接收天線數(shù)目必須大于或等于發(fā)送天線數(shù)目，接收天線較多時(shí)利于提高檢測(cè)的性能(檢側(cè)時(shí)需要信道知識(shí))。分層空時(shí)編碼的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)接收天線數(shù)大于發(fā)送天線數(shù)時(shí)，其系統(tǒng)容量與發(fā)送天線數(shù)成正比例增長(zhǎng)。 綜上所述，空時(shí)編碼技術(shù)的形成條件之一，就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行多天線發(fā)送和多天線接收。從廣義的角度來(lái)看，在發(fā)送和接收兩端就形成了MiMO信道，因此可以將空時(shí)編碼技術(shù)和OFDM的結(jié)合看成是MIMO-OF3jM系統(tǒng)的特例。3.2 STC-OFDM系統(tǒng) 由于信號(hào)在實(shí)際的無(wú)線信道中傳播時(shí)，存在多徑效應(yīng)，發(fā)送信號(hào)的時(shí)域波形會(huì)被展寬，在頻域

16、表現(xiàn)為頻率選擇性衰落，這會(huì)使傳輸信號(hào)之間發(fā)生符號(hào)間干擾(ISI),將極大地影響無(wú)線通信系統(tǒng)的性能.一般可以采用下面的方法來(lái)消除MIMO寬帶傳輸系統(tǒng)中的ISI:一是在接收機(jī)中利用均衡器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)先處理使得信號(hào)能夠得到較正確的恢復(fù);二是采用正交頻分復(fù)用技術(shù)。由于多天線系統(tǒng)的信道參數(shù)比較多，均衡器運(yùn)算量會(huì)很大，而OFDM技術(shù)可以有效地將頻率選擇性信道變換為平坦衰落信道，因此結(jié)合了OFDM技術(shù)，就可以利用多天線系統(tǒng)在窄帶信道中的傳輸方法來(lái)解決系統(tǒng)中的ISI問題。圖3.4 STC-OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的結(jié)構(gòu)框圖 圖3.4所示為STC-OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的結(jié)構(gòu)框圖。通常情況下STC-OFDM是將輸

17、入的信息流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，對(duì)得到的k路數(shù)據(jù)(k，子載波個(gè)數(shù))分別進(jìn)行空時(shí)編碼的調(diào)制，每一路數(shù)據(jù)的編碼結(jié)果都是N路輸出信號(hào)N，發(fā)射天線的個(gè)數(shù))，這樣就能得到k組包含N路信號(hào)的輸出結(jié)果。然后，對(duì)這樣的結(jié)果進(jìn)行重新排列，就能得到每一組OFDM的輸入信號(hào)。經(jīng)過IFFT變換以后，從相應(yīng)的天線上發(fā)送傳輸。也就是說，要在OFDM系統(tǒng)中使用空時(shí)碼，就要在每一個(gè)子載波上進(jìn)行空時(shí)編碼，然后再進(jìn)行IFFT調(diào)制。相應(yīng)地，在接收端先進(jìn)行FFT解調(diào)，再對(duì)每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)流進(jìn)行空時(shí)解碼。 STC-OFDM系統(tǒng)可以得到的最大分集增益為發(fā)送天線數(shù)、接收天線數(shù)以及可分離的多徑數(shù)目的乘積，它可以最大限度地利用系統(tǒng)的分集資源。 （2

18、) STBC-OFDM系統(tǒng) 空時(shí)分組編碼技術(shù)具有相對(duì)簡(jiǎn)單的編譯碼算法和較好的性能，適合于現(xiàn)有系統(tǒng)。圖3.5為具體的STBC-OFDM系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)中假設(shè)發(fā)送端不知道信道的傳輸特性，在接收端可以進(jìn)行準(zhǔn)確地估計(jì)，在一個(gè)編碼STBC-OFDM符號(hào)內(nèi)信道保持相對(duì)穩(wěn)定，而在不同的編碼STDC-OFDM符號(hào)之間可以發(fā)生改變。同時(shí)還假設(shè)不同發(fā)送、接收天線對(duì)之間的距離足夠遠(yuǎn)，即它們之間滿足互相獨(dú)立的條件。由于OFDM的正交性調(diào)制，不同的子載波信號(hào)之間相互正交，所以接收端可以將各子載波信號(hào)進(jìn)行分離，然后再對(duì)各子載波進(jìn)行獨(dú)立譯碼。圖3.5 STBC-OFDM系統(tǒng)框圖 STBC-OFDM系統(tǒng)和STC-OFDM系統(tǒng)的

19、區(qū)別在于，系統(tǒng)中的每一個(gè)子載波系統(tǒng)都可以等效為若千獨(dú)立的輸出支路而且各輸出支路可以進(jìn)行獨(dú)立譯碼.在得到各子載波上各等效支路的輸出信噪比后，可進(jìn)一步進(jìn)行性能估計(jì)。由于各獨(dú)立的輸出支路具有完全相同的接收信噪比，所以各獨(dú)立輸出支路的誤符號(hào)差錯(cuò)性能即為各子載波的差錯(cuò)性能，也就是整個(gè)STBC-OFDM系統(tǒng)的差錯(cuò)性能。在頻率選擇性瑞利衰落條件下，STBC-OFDM系統(tǒng)可以獲得的最大分集增益為發(fā)送天線數(shù)、接收天線數(shù)以及可分離的多條路徑數(shù)目的乘積，它最大限度地利用了系統(tǒng)中所有可用的分集資源，而系統(tǒng)復(fù)雜度要低于STC-OFDM系統(tǒng)。 綜上所述，OFDM系統(tǒng)克服了頻率選擇性衰落，為MIMO技術(shù)的應(yīng)用提供了一個(gè)很好