MIMO-OFDM技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

鄒 楊，崔金斗，魚佳欣，王衛(wèi)平

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 濟源，459000）

·微機網(wǎng)絡(luò)與通信·

MIMO-OFDM技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

鄒 楊，崔金斗，魚佳欣，王衛(wèi)平

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 濟源，459000）

MIMO技術(shù)即在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和信道利用率。OFDM技術(shù)即在可用頻段內(nèi)，將信道“劃分”，進行“串并轉(zhuǎn)換”，使得子信道上的符號周期增加，降低甚至避免了每個子信道上的ISI，從而有效地對抗信道衰落。通過對MIMO-OFDM原理的闡述，以及對信道容量公式進行推理，得到了信道容量的近似公式，之后結(jié)合兩者的優(yōu)點來構(gòu)建一個MIMO-OFDM無線局域網(wǎng)系統(tǒng)，并應(yīng)用MATLAB工具對MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)是否結(jié)合、調(diào)制方式、發(fā)收數(shù)目等進行仿真對比分析，定性地得到了影響系統(tǒng)誤碼率的影響因子。

MIMO-OFDM技術(shù)；信道容量；WLAN技術(shù)；空時編碼；無線通信；誤碼率；QPSK調(diào)制

1 引言

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output多輸入多輸出）技術(shù)是無線通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。MIMO技術(shù)已在當代無線通信系統(tǒng)中必不可少。正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM） 技術(shù)的應(yīng)用最初主要是在軍事通信中，良好的技術(shù)性能使得它在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，包括目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的ADSL寬帶接入系統(tǒng)，歐洲的數(shù)字音頻廣播（DAB）、高清晰度數(shù)字電視(HDTV)和無線局域網(wǎng)（WLAN）等。

近年來，無線局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，但無線局域網(wǎng)的性能、速度與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比還有一定距離，因此如何提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能和容量顯得日益重要。如5.8GHZ無線通信技術(shù)采用多輸入多輸出(MIMO)和正交頻分復(fù)用(OFDM)相結(jié)合的方式，將WLAN的傳輸速率由目前IEEE802.11a及IEEE 802.11g提供的54Mb/s增加至150Mb/s以上，其最高數(shù)據(jù)速率可達320Mb/s，實現(xiàn)與千兆有線網(wǎng)的無縫結(jié)合。5.8GHZ無線通信技術(shù)采用智能天線技術(shù)，通過多組獨立天線組成的天線陣列，可以動態(tài)調(diào)整波束，保證讓WLAN用戶接收到穩(wěn)定的信號，并可以減少其它信號的干擾，其覆蓋范圍可以擴大到數(shù)公里，使WLAN的移動性[1]極大提高。

2 MIMO-OFDM技術(shù)

MIMO是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線的一種技術(shù)。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)是單進單出 SISO（Single-Input Single-Output）系統(tǒng)，此外，基于發(fā)射分集和接收分集的多進單出MISO（Multiple-Input Single-Output）方式、單進多出SIMO（Single-Input Multiple-Output）方式也是MIMO的一部分。傳輸信息流經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流，這N個信息子流由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。多天線接收機利用空時編碼處理能夠區(qū)分并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。這N個信息子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并不增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)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，使得數(shù)據(jù)傳輸率得以提高。

OFDM技術(shù)[2]即在可用頻段內(nèi)，將信道“劃分”成若干正交的子信道，對高速串行數(shù)據(jù)流進行串并轉(zhuǎn)換，使之變成多個低速的并行數(shù)據(jù)流，每個低速的數(shù)據(jù)流用一個子載波調(diào)制后在一個子信道上進行傳輸。這樣可以在總的數(shù)據(jù)速率不變的情況下，使每個子信道上的符號周期得以增加，降低甚至避免了每個子信道上的ISI（符號間干擾），有效地對抗信道衰落。OFDM技術(shù)的本質(zhì)是將一個頻選信道“劃分”成若干個具有正交性質(zhì)的非頻選信道。

MIMO和OFDM技術(shù)結(jié)合的必要性在于MIMO系統(tǒng)在一定程度上可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落無能為力，而OFDM將總帶寬分割為若干個窄帶子載波，從而可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。另外，為了進一步提高系統(tǒng)傳輸速率，使用OFDM技術(shù)的無線通信網(wǎng)就必須增加載波的數(shù)量，而這種方法會造成系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，并增大系統(tǒng)的占用帶寬。MIMO多天線技術(shù)則能在不增加帶寬的情況下，在每一個窄帶平坦子信道上獲得更大的信道容量，成倍地提高通信系統(tǒng)的容量[3]和頻譜效率，是一種利用空間資源換取頻譜資源的技術(shù)。

由此可見，將MIMO與OFDM兩種技術(shù)相結(jié)合形成的MIMO-OFDM技術(shù)，既可以使系統(tǒng)達到很高的傳輸效率，提高頻譜利用率，也可以通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中，采用陣列天線實現(xiàn)空間分集，以提高信號質(zhì)量，它是OFDM與MIMO相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新技術(shù)。它采用了時間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。圖1是該系統(tǒng)工作流程圖。

圖1 MIMO-OFDM系統(tǒng)工作流程圖

3 寬帶MIMO-OFDM信道容量

信道容量是指信道能夠支持的最大無差錯傳輸速率。MIMO系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端之間建立了多個空間子信道，Telatar和Foschini都因此指出MIMO信道的容量可以成倍線性增加。

對于一個有N個發(fā)射天線，M個接收天線的MIMO系統(tǒng)，有如下傳輸關(guān)系：

其中，r為M×1維的接收信號向量，H為M×N維的信道矩陣，s為N×1維的發(fā)射信號向量，且其協(xié)方差矩陣RSS=E(ssH)滿足Tr(Rss)=N，使得發(fā)射信號總功率為Es。公式（1）中N表示方差為N0的白高斯噪聲向量。因此，MIMO信道容量為：

如果發(fā)射端無法獲知信道信息，只能假設(shè)各發(fā)射天線上的信號相互獨立且能量，即RSS=I，則此時的信道容量為：

將MIMO信道矩陣進行奇異值分解為H=UDV，得到：

r表示信道矩陣H的秩，而λ=1,2,…,r則為HHH的非零特征值。可見MIMO信道容量可以分解為r個SISO子信道的容量之和。若發(fā)射端已知信道信息，可以對各子信道進行功率分配，使信道容量取得最大值，即：

其中B為信號帶寬，SNR為接收端平均信噪比，min（N，M）為 N、M 的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。相對而言，MIMO的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，即利用MIMO技術(shù)可以成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。

4 空時編碼技術(shù)[4]

MIMO技術(shù)通過由多天線發(fā)射多數(shù)據(jù)流由多天線接收的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳處理，并通過這一方法來提高信道容量。它是通過空時編解碼技術(shù)來實現(xiàn)的，空時編碼（Space-Time Coding，STC）技術(shù)在發(fā)射分集的基礎(chǔ)上，能真正實現(xiàn)空分多址。

MIMO技術(shù)中的空時編碼技術(shù)是為了獲得最大的發(fā)射天線分集，在保持單信道流量的前提下使誤碼性能大幅度改善，主要包括空時格碼(Space-Time Trellis Code，STTC)、空時分組碼 (Space-Time Block Code，STBC)。

由于空時格碼[5]的譯碼難度會隨著傳輸速率的增加而呈指數(shù)增加，故本文主要討論空時分組碼。為降低譯碼復(fù)雜度，Alamouti在1998年提出了一種使用兩副發(fā)送天線的傳輸方法，它具有結(jié)構(gòu)簡單、性能良好的特點，這種方法的譯碼復(fù)雜度要比空時網(wǎng)格編碼簡單得多，因此也叫Alamouti碼。隨后，Tarokh在正交設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，把Alamouti方案推廣到多于兩個天線的系統(tǒng)中，提出了正交空時分組編碼。空時分組碼運用正交設(shè)計獲得兩個優(yōu)點：一、在全分集時提供了最大的發(fā)送速率而沒有損失傳送帶寬；二、應(yīng)用列之間的正交性，接收端可以利用簡單的線性處理進行最大似然算法解碼。在此研究過程中，主要是采用了空時分組編碼的技術(shù)。

4.1 基于空時分組碼的MIMO-OFDM無線局域網(wǎng)系統(tǒng)模型

在發(fā)射端，經(jīng)過QPSK調(diào)制后的數(shù)據(jù)送至串并變換形成多路輸出，每路信號獨立進行分組編碼，所有空時編碼單元的上支路輸出信號被送至一個離散傅立葉變換器，下支路信號被送至另一離散傅立葉變換器，經(jīng)IFFT變換、保護間隔插入、并串變換形成兩路獨立的OFDM信號并從兩根天線上發(fā)射出去。圖2給出了兩發(fā)兩收的STBC-OFDM[6]無線局域網(wǎng)系統(tǒng)接收機結(jié)構(gòu)框圖。在接收端兩路信號分別進行OFDM解調(diào)，經(jīng)等增益合并后送至STBC解碼，并串變換后由QPSK解調(diào)輸出。

圖2 兩發(fā)兩收的STBC-OFDM無線局域網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)射機/接收機結(jié)構(gòu)框圖

4.2 基于空時分組碼的MIMO-OFDM無線局域網(wǎng)系統(tǒng)仿真

結(jié)合已建立的基于空時分組碼的MIMO-OFDM無線局域網(wǎng)系統(tǒng)模型，可用MATLAB對系統(tǒng)的性能進行仿真分析。所作的仿真都是基于無線局域網(wǎng)，信道環(huán)境是多徑環(huán)境加白噪聲，在仿真中，假定系統(tǒng)所在的信道是準靜態(tài)的、信道估計可以準確地估計信道參數(shù)、接收端也可實現(xiàn)完美同步。

為了便于研究，相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：系統(tǒng)的工作頻率為5GHz；多徑信道加高斯白噪聲環(huán)境；OFDM子載波數(shù)是48，采用64點IFFT(FFT)實現(xiàn)形式；調(diào)制方式采用16QAM，信源編碼是1/2的卷積碼，其保護間隔為800ns。空時編碼采用空時分組編碼，相應(yīng)的空時解碼采用最大似然判決算法[7]。

4.2.1 空時分組編碼對系統(tǒng)性能的影響評估

在理想高斯信道和衰落信道兩種環(huán)境下，可分別對于單純的OFDM系統(tǒng)和采用MIMO技術(shù)的OFDM系統(tǒng)（兩發(fā)兩收STBC-OFDM系統(tǒng)）進行仿真。其系統(tǒng)誤碼率性能對比見圖3所示。

仿真結(jié)果表明，同樣的高斯信道下，當誤碼率為10-3時，兩發(fā)兩收STBC-OFDM系統(tǒng)比單純的OFDM系統(tǒng)誤碼性能改善3.1dB。這也就是說，相對于單純的OFDM系統(tǒng)，應(yīng)用MIMO技術(shù)的OFDM系統(tǒng)誤碼性能有了很大的改善。

圖3 單OFDM系統(tǒng)和MIMO-OFDM系統(tǒng)誤碼率對比

4.2.2 調(diào)制方式對系統(tǒng)性能的影響

對不同的調(diào)制方式（BPSK、QPSK、16QAM）的兩發(fā)兩收STBC-OFDM系統(tǒng)進行仿真，來考察兩發(fā)兩收的基于空時分組碼的MIMO-OFDM系統(tǒng)性能。其結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同調(diào)制方式下系統(tǒng)的誤碼率對比

從圖4中可以看出，在兩發(fā)兩收的MIMO-OFDM系統(tǒng)中，BPSK的誤碼率性能最好。其次是QPSK調(diào)制方式，最后是16QAM調(diào)制。這說明隨著系統(tǒng)吞吐量的提高，系統(tǒng)的誤碼率性能會隨著下降，在實際中可采用不同信道估計算法，來提高系統(tǒng)的誤碼率性能。

4.2.3 發(fā)送接收天線數(shù)目(N，M)對系統(tǒng)性能的影響

考查六徑的瑞利信道環(huán)境中，在改變發(fā)收天線數(shù)目的情況下，基于空時分組碼的MIMO-OFDM系統(tǒng)性能變化。其結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 接收天線數(shù)目變化時系統(tǒng)的誤碼率對比

圖6 發(fā)射天線數(shù)目變化時系統(tǒng)的誤碼率對比

從圖5中可以看出：在同種調(diào)制方式下和同種理想信道估計的情況下，(1，3)、(1，4)的 STBC-OFDM系統(tǒng)性能要優(yōu)于(1，2)STBC-OFDM系統(tǒng)，這說明，在發(fā)射天線的數(shù)目不變的情況下，增加系統(tǒng)接收天線數(shù)目可以提高系統(tǒng)性能。

從圖6中可以看出：在同種調(diào)制方式下和同種理想信道估計的情況下，(4，1)、(3，1)的 STBC-OFDM系統(tǒng)性能要優(yōu)于(2，1)的STBC-OFDM系統(tǒng)，這說明在接收天線的數(shù)目不變的情況下，增加系統(tǒng)發(fā)射天線數(shù)目也可以提高系統(tǒng)性能。發(fā)射天線增多可以有效增加分集，增強抗多徑時延的能力，降低系統(tǒng)誤碼率。

由此定性地驗證了分集級數(shù)NM[8]與系統(tǒng)的誤碼率—信噪比曲線的斜率的對應(yīng)性，即分集級數(shù)越大，性能曲線的斜率越大。因此發(fā)射、接收天線數(shù)越多，性能曲線的斜率越大。在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，盡管所用的天線越多，系統(tǒng)誤碼性能越好，但這是以系統(tǒng)的實現(xiàn)復(fù)雜度和高成本為代價的。發(fā)射天線數(shù)不同，空時分組碼的編碼效率也不一樣，兩個天線發(fā)射就比四個天線發(fā)射的系統(tǒng)傳輸速率高一倍，因為前者的空時分組碼的編碼速率是1，而后者只有1/2，所以在實際應(yīng)用中，要根據(jù)實際情況酌情確定發(fā)收天線的數(shù)目。

5 結(jié)束語

本文主要對MIMO-OFDM技術(shù)、信道容量計算公式進行闡述和推理，得到信道容量C近似狀態(tài)下的計算公式，同時對基于空時分組編碼（STBC）的MIMO-OFDM無線局域網(wǎng)進行對比，再對空時分組編碼的基本原理進行了詳細分析，提出了無線局域網(wǎng)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)模型。為進行仿真對比，通過MATLAB軟件搭建了MIMO-OFDM技術(shù)的無線局域網(wǎng)仿真平臺，最后對不同情況下系統(tǒng)誤碼率性能進行仿真實驗，并對每個仿真結(jié)果進行了對比分析，得到了定性的仿真結(jié)果。

[1]ZHOU H,YANG D,MA M.On the Performance of Multiuser Diversity Gain in MIMO Fading Channel[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2004,27(4):64-68.

[2]學位論文：李豪杰.基于OFDM的無線局域網(wǎng)研究[D].西安：西安電子科技大學，2008.Degree Thesis:Li Haojie.Research on Wireless Local Area Network Based on OFDM[D].Xi'an:Xi'an Electronic and Science University,2008.

[3]學位論文：婁秀花.基于MIMO-OFDM無線局域網(wǎng)信道容量研究[D].長春：吉林大學，2009.Degree Thesis:Lou Xiuhua.Research on the Capacity of Wireless LAN Based on MIMO-OFDM[D].Changchun:Jilin University,2009.

[4]學位論文：楊瑾婧.MIMO-OFDM系統(tǒng)中信道估計與檢測技術(shù)的研究[D].上海：上海交通大學，2007.Degree Thesis:Yang Jinjing.System of the Estimation and DetectionTechnologyResearchonMIMO-OFDM[D].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2007.

[5]楊全會、蔣朝暉.無線寬帶通信中的MIMO技術(shù)[J].安徽職業(yè)技術(shù)學院學報，2015,6:18-21.YangQuanhui、JiangChaohui.MIMO Technologyin Wireless Broadband Communication[J].Journal of Anhui Vocational and Technical College,2015,6:18-21.

[6]學位論文：潘建波.OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學.2006.2.Degree Thesis:PanJian Bo.Research on Adaptive Modulation Technology in OFDM System[D].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications,2006.2.

[7]學位論文：梁毅.MIMO-OFDM系統(tǒng)信道特性研究[D].長春：吉林大學.2006.

Degree Thesis:Liang Yi.Research on Channel Characteristics of MIMO-OFDM System[D].Changchun:Jilin University,2006.

[8]付衛(wèi)紅、楊小牛、劉乃安等.寬帶無線通信中的MIMO系統(tǒng)[J].電子科技大學學報，2007,4:16-18.Fu Weihong,Yang Xiaoniu,LiuNaian,et al.MIMO System in BroadbandWirelessCommunication[J].JournalofUniversity of Electronic Science and Technology of China,2007,4:16-18.

Application and Research of MIMO-OFDM Technology in Wireless Communication System

Zou Yang，Cui Jindou，Yu Jiaxin，Wang Weiping
(China Luoyang Electronic Equipment Test Center,Jiyuan 459000,China)

MIMO technology,using multiple transmitting and receiving antennas at the transmitting end and the receiving end,could exponentially improve the capacity and channel utilization of the communication systems without incraesing the bandwidth.OFDM technology,which divids the channel and executes serial-parallel conversion in available spectrum,could make the symbol period of the sub channel increase,then reduce or even avoid ISI in each sub channel to withstand channel fading.By describing the priciple of MIMO-OFDM and deducing the channel capacity expression,the approximate formula of channel capacity is obtained.Later,combining the advantages of both,a MIMO-OFDM wireless communication system is constructed,then using MATLAB to simulate the combination of MIMO and OFDM,modulation mode,numbers of transmitting and receiving,then the influence factors of the system error rate can be obtained qualitatively.

MIMO-OFDM;Channel capacity;WLAN;Space-time coding;Wireless communication;Error rate;QPSK modulation

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.009

TP311

A

1002-2279-（2017）04-0030-05

鄒楊（1987—），男，安徽省亳州市人，工程師，主研方向：無線通信。

2016-10-26