MIMOOFDM技術概述

1、 MIMO-OFDM技術概述摘要現(xiàn)代信息社會中,人們對寬帶移動通信系統(tǒng)的數(shù)據需求量日益增長。為此，未來寬帶移動通信系統(tǒng)必須提供更高的傳輸速率和更優(yōu)的服務質量。MIMO技術能夠利用信號的空時頻域特性，可以很好地對抗平坦衰落信道，但對頻率選擇性信道卻無能為力，而OFDM技術可以將頻率選擇性衰落轉化為平坦衰落，MIMO和OFDM兩種技術的結合和相互補充，既可以很好地解決未來無線寬帶通信系統(tǒng)中信道多徑衰落和帶寬效率的問題，又能夠提高系統(tǒng)容量和傳輸可靠性，因此采用 MIMO 技術的OFDM 系統(tǒng)是現(xiàn)代移動通信的核心技術。本文首先介紹正交頻分復用（OFDM）技術和多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的基本原理，簡

2、述MIMO-OFDM 技術及其特點，并初步探討了 MIMO-OFDM 系統(tǒng)的關鍵技術。關鍵詞： 多輸入多輸出；正交頻分復用；MIMO-OFDM；載波；編碼一、引言正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調制技術，也可以被當作是一種復用技術。多載波傳輸把數(shù)據流分解成若干比特流，這樣每個子數(shù)據將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特速率形成的低速率多狀態(tài)符號去調制相應的子載波，這構成了多個低速率符號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。OFDM是對多載波調制 (Multi Carrier Modulat

3、ion)的一種改進，它的特點是各子載波相互正交，所以擴頻后的頻譜可以相互重疊，不但減小了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率，可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。多輸入多輸出(MIMO)技術是指利用多發(fā)送和多接收天線進行空間分集的技術，是無限移動通信領域智能天線技術的重大突破。在無線通信領域，對MIMO的研究源于對多個天線陣元空間分集的性能研究。從20世紀80年代開始，研究學者發(fā)現(xiàn)與合并技術結合的多天線空間分集可進一步改善無線鏈路性能并增加系統(tǒng)容量，Salzzai研究了單用戶MIMO高斯信道，以兩徑傳播信道模型分析了空間分集對信道容量和容量分布的影響。Winters討論了干擾受限的無線系統(tǒng)中，

4、利用多天線空間分集所能帶來的容量增益，并明確地指出了增加分集天線數(shù)目可以增加系統(tǒng)容量。多輸入多輸出系統(tǒng)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。二、 正交頻分復用（OFDM）技術正交頻分復用（OFDM）是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以看作是一種調制技術，也可以當作一種復用技術。多載波傳輸把數(shù)據流分解成若干子比特流， 這樣每個子數(shù)據流具有低得多的比特數(shù)據流，再去調制成相應的子載波，各子載波相互正交，所以擴頻調制后的頻譜可以相互重疊。在OFDM 系統(tǒng)中，在各個頻段上發(fā)送的并行數(shù)據信號合并成一個獨立的復用數(shù)據流，這些數(shù)據由多個子

5、載波組合而成，然后在 OFDM 系統(tǒng)中傳輸。這樣增加了數(shù)據的吞吐量，提高了傳輸速度。傳統(tǒng)的FDM系統(tǒng)中，兩個信道之間存在較大的頻率間隔作為保護帶來防止干擾，這樣就降低了系統(tǒng)的頻譜利用率。因此，OFDM系統(tǒng)比傳統(tǒng) FDM 系統(tǒng)具有更高的帶寬利用率。OFDM 通信系統(tǒng)基本模型如圖 1所示。輸入的二元數(shù)字序列首先進行串并圖1 OFDM 通信系統(tǒng)基本模型圖轉換和編碼映射，然后經過快速傅里葉逆變換 （IFFT） 對編碼后的星座點進行基帶調制，再經并串轉換， D/A 轉換及低通濾波后經過上變頻送到信道。接收端的處理過程與發(fā)送端相反，信道出來的信號先經過下變頻，低通濾波(LPF)， A/D 轉換及串并轉換后

6、，再進行快速傅里葉變換（FFT），然后對所得數(shù)據進行均衡，以校正信道失真，最終進行譯碼判決和并串轉換，恢復出原始的二元數(shù)字序列。在OFDM系統(tǒng)中，符號連續(xù)傳輸，每個傳輸符號的速率大約在幾十bit/s到幾十kbit/s之間，每個符號的頻譜幾乎占據了整個系統(tǒng)的可用帶寬。當OFDM符號在無線信道中進行傳輸時，系統(tǒng)子載波會受到頻率選擇性作用，產生嚴重的衰減，從而造成在接收端解調出錯誤信號。通常錯誤的出現(xiàn)是連續(xù)的，采用前向糾錯編碼方法(FEC)可以有效地降低錯誤概率，為了進一步提高系統(tǒng)的性能，可以將串行的數(shù)據流轉換成并行數(shù)據流。OFDM是一種多載波調制方式，通過減小和消除碼間串擾的影響來克服信道的頻率選

7、擇性衰落?？焖俑道锶~變換(FFT)和逆快速傅里葉變換(IFFT)可以分別執(zhí)行OFDM系統(tǒng)的調制和解調的功能，快速傅里葉變換優(yōu)勢在于可以大大降低OFDM系統(tǒng)的計算復雜度。三、 多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)在通信兩端發(fā)送和接收信號稱為單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO），而在通信兩端使用多個天線進行發(fā)送和接收信號稱為多輸入多輸出系統(tǒng) （MIMO）。由于電磁環(huán)境較為復雜，多徑效應、頻率選擇性衰落和其他干擾的存在，使得實現(xiàn)無線信道的高速數(shù)據傳輸比有線信道傳輸難。通常多徑效應會引起衰落，被視為有害因素。但對于 MIMO 系統(tǒng)來說，多徑效應可以作為一個有利因素加以利用，因 MIMO 系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天

8、線和多通道，多輸入和多輸出針對多徑無線信道而言的。MIMO 系統(tǒng)的原理圖如圖2 所示，傳輸信息流S(k)經過時空編碼形成 N 圖2 MIMO系統(tǒng)原理圖個信息子流 CN(k)。這 N 個子流由 N 個天線發(fā)射出去，經空間信道后由 M 個接收天線接收。多天線接收利用先進的空時編碼處理就能夠分開并解碼這些數(shù)據子流,，從而實現(xiàn)最佳的處理。特別是這 N 個子流同時發(fā)送到信道時，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射和接收天線間的通道響應獨立， 則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，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 技術可

9、以成倍地提高系統(tǒng)傳輸容量，大大提高了頻譜利用率。MIMO技術不僅包含了智能天線技術的信號處理，其近來的發(fā)展已經涉及編碼、調制和網絡系統(tǒng)結構等方面，它使用多個發(fā)送天線和多個接收天線可以在不降低頻譜利用率條件下實現(xiàn)天線分集。在實現(xiàn)空間分集時，信號在時間域和頻域內都沒有引入冗余，因此有利于信號在無線信道中進行高速傳輸。MIMO技術使用陣列天線可以降低共道干擾和多徑衰落的影響，同時利用分集技術提高接收信號的信干噪比(SINR)。因此在一定的SINR條件下可以降低接收信號的誤碼率，使得基站和移動終端的發(fā)射功率得到了一定程度的降低。MIMO技術能夠利用傳播中的多徑分量，在空間中產生獨立的并行信道同時傳輸多

10、路數(shù)據流，在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率，提高了系統(tǒng)的傳輸速率，有效地改善了多徑衰落對系統(tǒng)的影響。但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)依然無能為力。四、OFDM 調制的MIMO系統(tǒng)OFDM 技術是一種特殊的多載波傳輸方案，其多載波之間相互正交，可以高效利用頻譜資源，同時OFDM將總帶寬分割為若干個窄帶子載波,可以有效抵抗頻率選擇性衰落。與MIMO技術相結合的MIMO-OFDM系統(tǒng)既可以達到很高的傳輸效率，又可以通過分集達到很強的可靠性，從而成為現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)核心技術的解決方案。MIMO-OFDM 系統(tǒng)模型如圖3所示，發(fā)射端N 個發(fā)射天線的工作流程如下：輸入的數(shù)據符號流經串并電路分成N

11、個子符號流，采用信道編碼技術對每圖3 MIMO-OFDM 系統(tǒng)基本結構個符號流進行無失真壓縮并加入冗余信息，調制器對編碼后的數(shù)據進行空時調制；調制后的信號在 IFFT電路中實現(xiàn)OFDM調制處理，完成將頻域數(shù)據變換為時域數(shù)據的過程，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，并經數(shù)模轉換及射頻模塊處理后發(fā)射出去。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

12、通過模數(shù)轉換將模擬信號轉換為數(shù)字信號后進行同步，在去循環(huán)前綴后通過 FFT 解調剩下的 OFDM 符號；此時，時延數(shù)據變換成為頻域數(shù)據，接下來在頻域內，從解調后的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)據符號，實現(xiàn)數(shù)據還原。MIMO和OFDM兩種技術結合，不但能夠實現(xiàn)很高的數(shù)據傳輸速率，還能通過分集實現(xiàn)增強傳輸?shù)目煽啃?。MIMO和OFDM技術的互補特性促使了兩者在寬帶傳輸領域的結合。MIMO-OFDM技術，綜合了MIMO高頻譜效率和OFDM簡化接收機的特點，通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線引入空間資源，同時利用時間、頻率和空間處理方式，使移動通信系

13、統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加，有效地提高了無線鏈路的傳輸速率和系統(tǒng)可靠性。MIMO-OFDM技術作為4G LTE-Advanced的核心技術，兩者的結合在提高無線鏈路的有效性和可靠性方面都具有很大的潛力。五、MIMOOFDM 的關鍵技術MIMOOFDM系統(tǒng)實現(xiàn)過程中有很多關鍵技術，以下簡要介紹幾種。（1） MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的時頻同步。對于MIMO-OFDM 系統(tǒng)的同步問題涉及前導序列的設計，時間和頻率同步，以及信號檢測技術等方面。一般來說，在MI MO-OFDM 系統(tǒng)在下行和上行鏈路傳播之間都存在同步時隙，用于實施相位和頻率對齊，并且實施頻率偏差估計。時隙可按以下方式構成： 在

14、偶數(shù)序號的子載波上發(fā)送數(shù)據和練習符號，而在奇數(shù)序號的子載波上設置為零。這樣經過 IFFT 變化后得到的時域信號就會被重復，有利于信號的檢測。（2） MIMO-OFDM 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)是相關的，我們可以利用這一相關特性得到參數(shù)的估計方法。MIM

15、O-OFDM 系統(tǒng)信道估計方法一般有三種：非盲信道估計、盲信道估計和半盲信道估計。（3） MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的空時編碼技術。空時信號處理是隨著 MIMO 技術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。（4） MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的糾錯編碼。糾錯編碼技術是改善數(shù)字信道通信可靠性的一種有效手段，低復雜度、高性能

16、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 編解碼技術開始大量運用。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

17、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，結合LDPC 的無線通信系統(tǒng)必將獲得更好的性能。六、 結束語OFDM技術可以將頻率選擇性衰落轉化為平坦衰落，減小多徑衰落的影響。MIMO技術利用空間復用技術，在獨立的并行信道上同時傳輸多路數(shù)據流，提高了頻譜利用率。MIMO-OFDM技術是MIMO和OFDM兩種技術結合而形成的新技術，通過在OFDM系統(tǒng)中采用陣列天線實現(xiàn)空間分集，提高了信號質量，很好的解決了未來無線寬帶通信系統(tǒng)中信道多徑衰落和帶寬效率的問題，MIMO 技術和 OFDM 技術在各自的領域中都發(fā)

18、揮了巨大的作用，將兩者相結合的 MIMO-OFDM 系統(tǒng)提供了更高的速率和頻帶利用率，是移動通信中研究的重點和熱點。參考文獻1 趙亞男, 張祿林, 吳偉陵. MIMO 技術的發(fā)展與應用J. 電訊技術, 2005, 45(1): 7-11.2 周恩,張興,呂召彪等.下一代寬帶無線通信 OFDM 與 MIMO 技術M. 人民郵電出版社, 2008.3 佘明輝, 楊斌, 趙東風. 基于頻分多路復用技術的 OFDM 技術分析J. 浙江工業(yè)大學學報, 2012, 40(5): 507-511.4 李偉, 江楠. OFDM 技術在電力線通信中的應用J. 電子測試, 2013 (9).5 Haffenden

19、 O P, Nokes C R, Stott J H. OFDM-MIMO radio frequency transmission system: European Patent EP 2158736P. 2012-2-8.6 Haffenden O P, Nokes C R, Stott J H. OFDM-MIMO radio frequency transmission system: European Patent EP 2477369P. 2012-7-18.7 Pascual Iserte A, Pérez Neira A I, Lagunas Hernandez M

20、A. Performance degradation of an OFDM-MIMO system with imperfect channel state information at the transmitterJ. 2012.8 Eneh T, Rapajic P, Anang K, et al. Adaptive MMSE Multiuser Detection in MIMO OFDM wireless communication systemJ. Advanced Materials Research, 2012, 367: 233-240.9 莫建云, 任清華. 基于 OFDM

21、 的 MIMO-TDCS 設計及性能研究J. 電子技術應用, 2012, 38(11): 122-125.10 董青龍. OFDM 系統(tǒng)中 MIMO 空分多址應用研究D. 南京郵電大學, 2012.11 倪楊. MIMO-OFDM 信道估計新方法J. 價值工程, 2012, 31(18): 190-191.12 郭連城. MIMO-OFDM 技術淺析J. 科技信息, 2012, 16: 217.13 劉燕容, 周圍. MIMO-OFDM 系統(tǒng)信道估計算法研究J. 山西電子技術, 2012, 3: 018.14 Ozluturk F M. Random access channel for OFDM-MIMO system: U.S. Patent 8,400,986P. 2013-3-19.15 Dai L, Wang Z, Yang Z. Spect