4G中的MIMO—OFDM原理及關鍵技術解析

黎碧霞

【摘 要】4G移動通信是往代通信的技術進步，4G移動通信中所涉及的重要技術有OFDM技術、MIMO技術以及MIMO-OFDM技術相結合的關鍵技術。技術專利的分布和發展應用就是MIMO技術與OFDM技術的完美結合，使得4G移動通信能夠有效對抗頻率選擇性衰落問題、提高數據傳輸速率、還能增大系統容量。

【關鍵詞】MIMO -OFDM原理；關鍵技術；4G

0 前言

近年，我們的手機網絡在不斷地更新換代，由原來的2G網絡逐漸發展到4G網絡，這既要歸功于移動公司的推廣，又要歸功于網絡研發工作者的辛勤工作。雖然4G移動通信在描繪高速的數據傳輸，提供從語音到多媒體業務豐富業務美好前景，但是隨著4G網絡的不斷推廣，單一的MIMO技術或單一的OFDM技術已經不能滿足人們對網絡的需求，這就需要我們將MIMO-OFDM技術結合起來構成4G網絡的核心。

1 MIMO-OFDM原理

1.1 MIMO技術原理

首先，MIMO技術原理在移動通信工程中的運用并不是近幾年才提出的，所以對該技術的接受程度還是良性的。MIMO技術原理就是將已經存在的多徑傳播和隨機衰弱進行高效率的重新利用，達到更好的傳輸速度和效率。MIMO的中文名稱就是多輸入和多輸出，所以顧名思義就是通過對多天線的控制來減少信道衰弱問題的發生。多并行的天線空間信道能夠進行同時的發送和接收，就能夠在不同的環境中，針對不同的用戶，都提供最完美的技術體驗。

1.2 OFDM技術原理

頻分復用、多載波并行傳輸等通信技術概念是在上個世紀50年代末中就予以提出的，所以OFDM的技術也是在不斷發展的過程中，應用到各個領域、環節，也在移動通信中得以普及和成熟的。OFDM技術從發展及應用角度上，大致可分為五個階段：極低頻譜效率的頻率復用階段，最早的高頻譜效率的多載波通信系統階段，多載波理論發展階段，無線移動通信系統理論形成階段，從理論到實用階段。

1.3 MIMO-OFDM技術結合的原理

MIMO-OFDM技術的結合就是當代4G移動無線通信系統的核心領域，更是解決了無線信道頻率的選擇性問題。作為核心領域，MIMO-OFDM 系統的關鍵技術主要包括信道估計，同步技術，空時處理技術，分集技術等。MIMO-OFDM技術結合的原理就是，先利用MIMO技術的多天線設備優勢的多輸入和多輸出，進行對信號OFDM的接收，然后專用OFDM進行時頻同步處理，緊接著去掉相應的CP，還有對OFDM進行解調環節，最后根據信道估計的結果進行檢測解碼，恢復出接收比特流。

2 4G中的MIMO-OFDM同步問題的研究

2.1 MIMO-OFDM同步問題

作為第四代移動通信的科學技術核心，MIMO-OFDM技術顧名思義是來自OFDM技術和MIMO技術的完美結合。MIMO-OFDM技術是通過將時間，頻率，和空間三種分集技術進行充分的利用后，將各自技術的優勢發揮出來，使得無線通信系統對噪聲干擾性能增強，對多徑的容限能力大大增加。MIMO-OFD同步技術中主要所涉及的同步技術有載波同步、符號同步和幀同步三大技術，這三大技術之間的嵌合就是形成MIMO-OFDM同步技術和核心。

2.2 MIMO-OFDM同步研究現狀

就MIMO-OFDM同步研究現狀而言，國外的研究水平較之國內，相對較高。美國的加州大學、瑞的士聯邦理工學院、日本的北海道大學都在該領域有著自己的研究方向和研究成果。國內MIMO-OFDM同步技術應用的起步較晚，采用該技術的無線傳輸平臺也是為數不多，所以對MIMO-OFDM同步技術的研究相對落后。兼并國內外的研究水平來看，MIMO-OFDM同步技術還是存在諸多問題的，普遍存在的有MIMO-OFDM運用于商業化的平臺時，雖然是功能強大，但是因為復雜度高，導致靈活性差；MIMO-OFDM運用于演示平臺，因為只針對特定的技術標準實現特定的功能，導致難以應對各層次人士的應用需要，受到限制。

2.3 MIMO-OFDM同步方式

MIMO-OFDM的同步方式是當各個接收天線收到對應的OFDM符號信號后，對其設置時頻的同步處理，去掉對應的CP，再對其 OFDM進行解調，然后再對其進行解碼，這時就要依據信道估計的結果，恢復并且接收比特流。MIMO 系統對于頻率選擇性衰落無能為力，OFDM又在提高系統容量的能力有限，所以構建MIMO-OFDM的同步技術還是需要實現諸如同步、空時處理技術、自適應調制和編碼、信道估計等關鍵技術。

3 MIMO-OFDM的關鍵技術

3.1 信道估計技術

在無線通信系統中，最顯著的兩大特征就是多徑性和時變性。準備的信道估計技術非常重要的體現在空時編碼過程中，必須要在接收端保證能夠對信道特性進行完全掌握。[2]就目前的發展現狀而言，信道估計技術主要分為基于訓練序列或導頻的方法和用盲方法來進行信道辨別，分為全盲和半盲信道估計，前者使用的是已知訓練序列估計均衡器系數，后者直接對均衡器系數進行估計，所以兩種信道估計技術各有優劣。信道估計技術仍然在不斷的發展和創新，找出影響信道估計的關鍵因素，將各類影響因素運用到模擬信道中，通過與實際的真實信道進行的對比結果，改進了信道估計的算法。信道估計技術在提及到MIMO-OFDM技術后的首要反應技術。

3.2 空時信號處理技術

在MIMO-OFDM同步技術中，時空信號處理技術的存在地位可想而知。時空信號處理技術就是在對相應信號的實部或者虛部進行取反操作，之后將其輸出結果被映射到不同的發送天線發送出去。時空信號處理技術與傳統的無線通信信號的處理方式對比，最大的優勢就是可以突破性的從時間和空間兩方面同時研究信號進行處理意見分析。目前，在時空信號處理技術中常用的空時編譯碼有分層空時碼、空時格形碼、空時分組碼和空時頻編碼這四種編碼。

3.3 分級技術

分級技術也被稱之為分集技術，在傳統無線通信技術中，表現出來的不可靠性就是因為分級技術的不成熟。[1]無線衰落信道時變和多徑特性引起的系統對噪聲、干擾、多徑等因素的抗性降低的現象就是分級技術所需要迫切解決的問題。MIMO-OFDM的同步技術就是在不增加功率和不犧牲帶寬的情況下，減少多徑衰落對基站和移動臺的影響的技術保障。分級技術還能有效的保障無線頻率使用的有效性，以前相同數量的無線頻譜開展更多的實際應用。

3.4 同步技術

MIMO-OFDM系統同步問題包括載波同步、符號同步和幀同步這三大同步問題。載波同步致力于子載波間的正交性，避免輸出信號幅度衰減及信號相位旋轉等問題的產生；符號同步和幀同步與載波同步密切相關的后續同步技術，接收端選擇信噪比最高的天線信號進行頓檢測和后續的同步。

4 結語

隨著現代通信技術的不斷發展，對移動通信的技術、性能等方面都相應的提出了新的要求，提供了新的市場。傳統的有線通信模式已經在可靠性、可用性、抗毀性等很多方面出現了漏洞，所以應運新生的現代無線通信就突出的表現出在特殊環境、地貌中，不受限制的優越性。MIMO技術和OFDM技術各有其優缺點，將這兩者結合起來會發揮更大的作用。

【參考文獻】

[1]白潔，張健華.“MIMO OFDM 系統定時與多徑時延估計”[J].北京郵電大學學報，2015，10，28（5）.

[2]陳宏.MIMO- OFDM系統原理及其關鍵技術[J].中國無線電，2013（10）：57-62.

[責任編輯：湯靜]