移動通信中MIMO-OFDM技術(shù)概述

【摘要】采用MIMO技術(shù)的OFDM系統(tǒng)是現(xiàn)代移動通信的核心技術(shù)。本文首先介紹正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)和多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的基本原理，簡述MIMO-OFDM技術(shù)及其特點(diǎn)，并初步探討MIMO-OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】正交頻分復(fù)用多輸入多輸出載波編碼

一、引言

正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，其多載波之間相互正交，高效地利用頻譜資源，OFDM將總帶寬分割為若干個窄帶子載波，可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。多輸入多輸出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）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。OFDM調(diào)制的MIMO系統(tǒng)，充分開發(fā)了這兩種技術(shù)的潛力，將二者結(jié)合起來將成為新一代移動通信的核心技術(shù)。

二、正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)

正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解成若干子比特流，這樣每個子數(shù)據(jù)流具有低得多的比特數(shù)據(jù)流，再去調(diào)制成相應(yīng)的子載波，各子載波相互正交，所以擴(kuò)頻調(diào)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(jù)信號合并成一個獨(dú)立的復(fù)用數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)由多個子載波組合而成，然后在OFDM系統(tǒng)中傳輸。這樣增加了數(shù)據(jù)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(hù)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，兩者對比示意圖見圖1所示。

OFDM通信系統(tǒng)基本模型如圖2所示。輸入的二元數(shù)字序列首先進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換和編碼映射，然后經(jīng)過快速傅里葉逆變換（IFFT）對編碼后的星座點(diǎn)進(jìn)行基帶調(diào)制，再經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換及低通濾波后經(jīng)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(jīng)過下變頻，低通濾波（LPF），A/D轉(zhuǎn)換及串/并轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），然后對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡，以校正信道失真，最終進(jìn)行譯碼判決和并/串轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出原始的二元數(shù)字序列。

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(jìn)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(fù)雜，多徑效應(yīng)、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(jù)傳輸比有線信道傳輸難。通常多徑效應(yīng)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(yīng)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3所示，其傳輸信息流S（k）經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流CN（k）。這N個子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收利用先進(jìn)的空時編碼處理就能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)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(yīng)獨(dú)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(dú)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(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。

四、OFDM調(diào)制的MIMO系統(tǒng)

OFDM技術(shù)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(shù)相結(jié)合的MIMO-OFDM系統(tǒng)既可以達(dá)到很高的傳輸效率，又可以通過分集達(dá)到很強(qiáng)的可靠性，從而成為現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)核心技術(shù)的解決方案。

在如圖4所示的典型MIMO-OFDM系統(tǒng)模型中，發(fā)射端有N個發(fā)射天線的工作流程如下：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(jìn)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(jìn)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(kuò)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(yīng)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。

接收端進(jìn)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(jìn)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(dǎo)頻，然后通過精細(xì)的頻率同步和定時，準(zhǔn)確地提取出導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)符號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)還原。

五、實現(xiàn)MIMO-OFDM的關(guān)鍵技術(shù)

（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(dǎo)序列的設(shè)計，時間和頻率同步，以及信號檢測技術(shù)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(gòu)成：在偶數(shù)序號的子載波上發(fā)送數(shù)據(jù)和練習(xí)符號，而在奇數(shù)序號的子載波上設(shè)置為零。這樣經(jīng)過IFFT變化后得到的時域信號就會被重復(fù)，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(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)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(yīng)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。MIMO-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(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。空時信號處理包括發(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(fù)用（SM：Spatial Multiplexing）兩種。

（4）MIMO-OFDM系統(tǒng)中的糾錯編碼。糾錯編碼技術(shù)是改善數(shù)字信道通信可靠性的一種有效手段，低復(fù)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(rèn)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(fù)雜度遠(yuǎn)高于編碼的復(fù)雜度，無線通信系統(tǒng)要求的是一個復(fù)雜度很低的終端，以盡量節(jié)省系統(tǒng)成本。于是，解碼復(fù)雜度低的LDPC編解碼技術(shù)開始大量運(yùn)用。其特點(diǎn)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(yán)格理論分析具有可驗證性；譯碼復(fù)雜度低于turbo碼，且可實現(xiàn)完全的并行操作；硬件復(fù)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。

六、結(jié)束語

MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)在各自的領(lǐng)域中都發(fā)揮了巨大的作用，將兩者相結(jié)合的MIMO-OFDM系統(tǒng)提供了更高的速率和頻帶利用率，已成為下一代移動通信技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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