MIMO—OFDM技術理論概述

王召

摘 要：MIMO技術在不增加系統帶寬和功率的前提下，分別利用發射分集和空間復用來增強系統抗干擾能力和提高系統的信道容量，MIMO技術變成了第四代無線通信的關鍵技術之一。OFDM技術使多徑效應的符號之間的干擾得到消弱，但是無法提高對頻譜資源的利用率。故將MIMO技術與OFDM技術相結合，發揮彼此的優點，很好地解決了無線通信中兩大難題。

關鍵詞：MIMO；OFDM；技術結合

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0069-02

OFDM是一種基于正交多載波的頻分復用技術，采用多載波調制的方式，在發射端把高速的串行數據流經過串/并轉換成N路獨立的低速數據流，用N路載波進行調制，然后將調制的的N路子載波傳送出去，在接收端，根據正交的子載波單獨進行解調，分離出源端的多路信號。OFDM技術將高數據串行數據轉變成1/N低速數據流的速率，符號周期增大了原來的N倍，比信號的最大時延擴展要大得多得多。故一個較寬的頻率選擇性信道被分為N個窄帶平坦衰落的信道，大大提高了多徑衰落和脈沖干擾的能力。此外，時域正交子載波在頻域上頻譜相互重疊，有效提高帶寬的利用率，使得OFDM技術在寬帶無線通信中得到廣泛應用[1]。

1 MIMO-OFDM原理

多徑能導致衰落，所以我們一般認為他是有害的，研究已證明，MIMO系統在發送端和接收端都使用多天線和多個通道，用來來克服多徑效應。通信系統中系統容量，其體現了系統的最大傳輸速率，在MIMO系統中，假設發射天線數量為N，接收天線數量為M，且N、M很大，如果信道為瑞利衰落信道，信道容量可表示為：，其中B表示信號帶寬，表示接收端信噪比。從信道容量所表示形式可看出，當MIMO系統的帶寬和信噪比固定時，信道容量隨最小天線數量增加成線性增加。故多入多出對提高無線通信系統的信道容量提高，還能提高系統的可靠性、降低誤碼率。而3G到4G需要較高的頻譜資源利用技術，但是OFDM對頻譜利用率是非常有限的。故在OFDM技術基礎上開發空間資源，也即是我們所說MIMO+OFDM技術，可將傳輸速率大大提升。由于OFDM具有低碼率并且加了相應的時間間隔，因此有較好的抗干擾能力。時間保護間隔大于多徑時延，因而系統不受碼間串擾的影響，這樣單頻網絡（SFN）可運用在OFDM系統中，利用天線來實現。

2 TD-LTE-Advanced系統中MIMO增強技術

在下行的MIMO中，參考信號發生了很大的變化，R8的下行公共公共參考信號有下行解調參考信號（DMRS）和下行測量參考信號（CSI-RS）代替，下行MIMO的反饋不在局限于單碼本反饋，采用顯性反饋（對信道信息量化的方案）得到很多公司的支持[6]。 信道互易性的反饋方案是TDD的一個優勢，因而得到很多公司的支持，他能有效的減少反饋開銷，提升系統的性能。

上行SU-MIMO目前有基于碼本和基于非碼本兩種傳輸方式在討論。LTE中下行MIMO類似基于碼本方式傳輸，而FDD系統就是采用這種方式傳輸，因而獲得較好的穩定性能。在TDD系統中MIMO傳輸基準與FDD的碼本方式相似，然而非碼本傳輸方式具有一定的技術優勢，故在標準會議收到關注并得到廣泛的討論。

3 下行參考信號

LTE-Advanced下行導頻有解調導頻和測量導頻。解調導頻運用于數據解調，是用戶專屬的導頻信號，測量導頻運用于信道測量，是小區專屬寬帶公共導頻信號。這種導頻與R8本質區別是由LTE-Advanced的系統特性決定。LTE-Advanced系統下行要能夠支持更多的天線端口和數據流，LTE-Advanced系統要采用與R8系統8端口的公共導頻，則導頻開銷將多出28.6%，，而且很難達到LTE-Advanced系統對峰值速率的要求；如果采用用戶的導頻結果，則可依據用戶的傳輸模式配置導頻，這樣可以大大降低了中高傳輸的導頻的需求。此外，MU-MIMO/COMP等新技術的引入了LTE-Advanced系統，只有在使用專用的導頻結構才能很好的避免新技術增加終端復雜度。測量導頻的引入時因為專業導頻沒有測量、無法獲取寬帶信道信息的能力，而且還具有開銷較小的優勢。因此，這兩種導頻組合的下行導頻不僅達到了LTE-Advanced系統設計要求，還很好控制了因導頻帶來的開銷。

3.1 下行解調參考信號

3.1.1 導頻結構

導頻結構有導頻開銷、復用方式和圖樣3部分組成。信道估計性能和傳輸數據的有效資源是導頻開銷的主要考慮的因素。導頻開銷的增加，信道估計的性能將提高，數據的有效資源反而較少。如果導頻開銷減少，則數據的有效資源將增加，信道估計性能將下降。為此，在進行導頻開銷評估時，衡量標準則是根據系統吞吐量來決定。復用的方式有FDM、TDM、CDM和混合4種。LTE-Advanced系統下行解調參考信號采用CDM、CDM與FDM混合服用方式來解決終端的復雜性，多種新技術的透明化。

3.1.2 導頻序列

LTE-Advanced下行解調參考信號的序列設計有正交碼和擾碼兩部分。區分不同端口的是正交碼，即CDM復用方式。正交碼需要做修正（如頻域翻轉映射）以使符號間的功率平衡。擾碼的目的在于干擾隨機化。在LTE系統的擾碼是依據用戶的，而在LTE-Advanced系統專用導頻的擾碼則是依據于小區的，并對控制信令進行調整，達到保證MU-MIMO能正確解調的目的。

3.2 下行測量參考信號

下行測量導頻由于LTE-Advanced系統滿足更多端口測量，以保證新技術（COMP等）的測量性能所引進的。其主要圍繞兩個問題進行討論：一個是后向兼容問題，主要考慮保留幾個端口的R8 CRS，當R8 CRS所配置端口數與小區的端口數相等時，要不要引入下行測量參考信號；二是下行測量參考信號的詳細結構，具體考慮R10測量精度，對R8用戶的影響以及小區協調避免導頻干擾等問題[2]。

在LTE-A系統中，下行傳輸實現8天線發送分集的方法有兩種：一種是以LTE的4天線發射分集的基礎上，與其他技術相結合用來實現8天線的發送分集；另一種是是利用現有的LTE中發送分集方案，通過天線虛擬化來實現8天線傳輸。

3.2.1 SFBC+FSTD

復用4天線發送分集的方法，直接把SFBC+FSTD可用于8天線傳輸，也即是將要發送的八個符號聯合SFBC編碼在進行FSTD獲得8天線的信號，如下式所示：

將SFBC編碼形成矩陣單元，把FSTD的方式在8天線上進行發送。通過調整發送順序，每一行在一個天線上進行發送，而每列在同一子載波上進行發送，得變換形式。

3.2.2 FSBC+PSD+FSTD

這種方案是在（1）的基礎上進一步延伸，不同的是在天線上加了PSD（Phase Switching Diversity），就可得到改進的編碼方式，這種方案能使相應的分集增益增大。

4 上行參考信號

上行參考信號包含上行解調信號和上行測量參考信號兩種。用于數據解調，且僅僅用在調度的數據塊內插入的是上行解調參考信號，由于上行參考信號能在某些子幀的最后一個符號周期或非周期的被發送，因此既可進行全帶寬配置，也可進行子帶配置，并多次遍歷部分或整個寬帶。兩種信號都利用ZC序列實習[3]。

4.1 上行解調參考信號

上行解調參考信號增強設計的必要性四個方面：保證天線端口或/用戶正交性，提供更多的正交參考信號資源，保證不同發送寬帶或不同頻域資源上的參考信號的正交性，保證不同小區參考信號的正交性[3]。

上行解調參考信號增強性設計方案主要包含有：循環移位增強、循環移位加時域正交和頻分復用。循環移位增強具有很好的后向兼容特性，但是在COMP和MU-MIMO等新技術場景中無法確保不同流或用戶參考信號的正交性；循環移動正交加時域的方案不僅增加了參考信號可支持端口數，還能在參考信號端口數比較少的時候提高信道估計性能。

4.2 上行探測參考信號

上行測量參考信號增強的必要性兩個方面：上行多天線技術的引入需要更多的上行測量參考信號資源和更精準的測量；COMP場景中利用TDD信道互易性時，小區間上行測量參考信號干擾嚴重[4]。

上行測量參考方案的增強方案有增加上行測量參考信號的資源數、單次觸發上上行測量參考信號、復用上行解調參考信號等，但是目前還在進行標準化方案的討論中。

參考文獻：

[1] 佟學儉，羅濤.OFDM移動通信技術原理與應用[M].北京：人民郵電出版 社，2003.

[2] 沈嘉.IMT- Advanced 研究和標準化進展[J].世界電信，2007，（7）.

[3] 王映明，孫韶輝.TD-LTE技術原理與系統設計[M].北京：人民郵電出版 社，2010.