MIMO-OFDM 無線通信傳輸與檢測技術(shù)研究

孫松強(qiáng)

（日海恒聯(lián)通信技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）和正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）作為2 項(xiàng)重要的技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)。MIMO 技術(shù)通過利用多個(gè)天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收，可以顯著提高系統(tǒng)的容量與可靠性，同時(shí)克服了傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)存在的信號多徑衰落和干擾問題。OFDM 技術(shù)則通過將頻域分割為多個(gè)子載波，并在每個(gè)子載波上進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)制與解調(diào)，可有效提高頻譜利用效率和抗多徑干擾能力。

1 多載波多天線基本原理及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 MIMO 技術(shù)

MIMO 技術(shù)是一種利用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收的無線通信技術(shù)。與傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)相比，MIMO 技術(shù)通過同時(shí)利用多個(gè)天線之間的獨(dú)立路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以顯著提高無線信道的容量和可靠性，并擴(kuò)大覆蓋范圍。MIMO 技術(shù)的基礎(chǔ)是空間多樣性和信號處理算法[1]。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)被分成多個(gè)子流，并分別通過不同的發(fā)射天線發(fā)送。當(dāng)信號經(jīng)過空間上的多個(gè)傳輸路徑時(shí)，可以以不同的方式到達(dá)接收端。在接收端，通過采集并處理來自多個(gè)接收天線的信號，可以從中獲取多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。通過快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）算法，接收端可以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)高容量的數(shù)據(jù)傳輸。一般的MIMO 通信系統(tǒng)模型如圖1 所示。

圖1 MIMO 通信系統(tǒng)模型

1.1.1 MIMO 系統(tǒng)中的復(fù)用技術(shù)

MIMO 系統(tǒng)中的復(fù)用技術(shù)是指通過合理分配和利用有限的頻譜資源，使多個(gè)用戶能夠同時(shí)共享同一無線信道的技術(shù)。MIMO 系統(tǒng)中，常用的復(fù)用技術(shù)包括時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）、頻分復(fù)用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）、碼分復(fù)用（Code Division Multiplexing，CDM）以及空分復(fù)用（Space Division Multiplexing，SDM）等。時(shí)分復(fù)用將時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)隙，并將不同用戶的數(shù)據(jù)在各個(gè)時(shí)隙中依次傳輸；頻分復(fù)用將頻譜劃分為多個(gè)不重疊的子載波，每個(gè)用戶獨(dú)占一個(gè)或多個(gè)子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；碼分復(fù)用利用不同的擴(kuò)頻碼將不同用戶的數(shù)據(jù)編碼，然后將這些數(shù)據(jù)編碼同時(shí)發(fā)送到無線信道；空分復(fù)用利用多個(gè)天線，將不同用戶的數(shù)據(jù)并行地通過不同的天線進(jìn)行傳輸。這些復(fù)用技術(shù)使得多個(gè)用戶可以同時(shí)共享無線信道資源，實(shí)現(xiàn)了高效的頻譜利用，消除了用戶間的隔離。通過合理選擇和組合這些技術(shù)，可以最大限度地提高系統(tǒng)容量、性能和用戶體驗(yàn)[2]。復(fù)用技術(shù)在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中扮演著重要角色，使得無線通信能夠支持更多的用戶，并提供更加快速和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

MIMO 系統(tǒng)的復(fù)用增益來源于MIMO 信道，可以將其分解成R個(gè)并行的獨(dú)立信道。對于等分配發(fā)送功率的M×M的MIMO 信道，發(fā)送端和接收端已知信道增益矩陣為H。通過奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD），信道增益矩陣的計(jì)算公式為

式中：矩陣U和矩陣V是酉矩陣；矩陣 由矩陣H的奇異值構(gòu)成，這里奇異值的個(gè)數(shù)為RH，代表信道矩陣H的秩。

經(jīng)發(fā)送預(yù)編碼和接收成形后，MIMO 信道變成RH個(gè)并行的單輸入單輸出（Single Input Single Output，SISO）信道，其輸入為。

該過程的計(jì)算公式為

式中：UH作為接收信號；向量x經(jīng)線性變換x=后作為天線的輸入。

1.1.2 MIMO 系統(tǒng)中的分集技術(shù)

MIMO 系統(tǒng)中的分集技術(shù)是利用多個(gè)天線傳輸和接收信號的技術(shù)，旨在提高無線通信系統(tǒng)的性能和可靠性。傳統(tǒng)的SISO 系統(tǒng)中，只有一個(gè)天線用于發(fā)送信號和接收信號。分集技術(shù)是MIMO 系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過將信號分散在多個(gè)獨(dú)立的空間路徑上傳輸，以降低信號受到衰落和干擾的影響。分集技術(shù)包括時(shí)間分集（Time Diversity，TD）和空間分集（Space Diversity，SD）等形式。時(shí)間分集中，發(fā)送端將數(shù)據(jù)分割成多個(gè)時(shí)間片，并將每個(gè)時(shí)間片映射到不同天線，利用多路徑效應(yīng)和符號重疊提高系統(tǒng)的可靠性。而在空間分集中，通過使用多個(gè)接收天線接收來自不同路徑的信號，各天線發(fā)送的加權(quán)信號在接收端相加合并。

設(shè)信道的幅度增益為h，所得接收端信號的計(jì)算公式為

式中：r(t)為時(shí)間t的接收信號；s(t)為時(shí)間t的發(fā)送信號；hi為信道幅度增益；ai為加權(quán)值。

基于式（3）能夠提高系統(tǒng)的性能、可靠性和容量，有效應(yīng)對信道衰落和干擾等問題。

1.2 多載波OFDM 技術(shù)

多載波OFDM 技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)⑿枰獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)流分成多個(gè)低速數(shù)據(jù)流，并在頻域上并行傳輸。每個(gè)低速數(shù)據(jù)流使用不同的子載波進(jìn)行調(diào)制和傳輸。通過OFDM 技術(shù)，可以將整個(gè)頻譜帶寬分為多個(gè)獨(dú)立的子載波。這些子載波之間正交互不干擾，因此可以同時(shí)傳輸不同的數(shù)據(jù)流[3]。每個(gè)子載波的寬度相對較窄，使得每個(gè)子載波的符號周期較長，在時(shí)域上呈現(xiàn)出寬波形。

2 高速移動環(huán)境OFDM 系統(tǒng)上行信道狀態(tài)信息檢測

2.1 OFDM 系統(tǒng)上行CQI 檢測碼本結(jié)構(gòu)

OFDM 系統(tǒng)中，上行信道質(zhì)量指示（Channel Quality Indicator，CQI）檢測碼本用于評估無線信道的質(zhì)量，以便調(diào)整下行鏈路的調(diào)制和編碼方案[4]。CQI 碼本結(jié)構(gòu)描述了不同CQI 值對應(yīng)的調(diào)制和編碼方式，以及相應(yīng)的誤碼率和吞吐量。具體的上行CQI檢測碼本結(jié)構(gòu)可能因不同的無線通信標(biāo)準(zhǔn)而有所變化。通過使用上行CQI 檢測碼本，接收端可以根據(jù)接收的信道質(zhì)量信息選擇最適合的調(diào)制和編碼方式，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性，從而在保證通信質(zhì)量的前提下充分利用無線信道資源。

需要注意，不同的無線通信標(biāo)準(zhǔn)可能具有不同的CQI 碼本結(jié)構(gòu)和參數(shù)定義。因此，具體應(yīng)用中需要參考相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了解準(zhǔn)確的上行CQI 檢測碼本結(jié)構(gòu)和相關(guān)信息。

2.2 高速移動環(huán)境下的CQI 檢測模型

2.2.1 準(zhǔn)正交碼表的互相關(guān)檢測算法

準(zhǔn)正交碼表是一種常用于無線通信多用戶分離的技術(shù)。使用準(zhǔn)正交碼表時(shí)，需要進(jìn)行互相關(guān)檢測，以確定接收信號中是否存在特定的準(zhǔn)正交碼。準(zhǔn)正交碼表的互相關(guān)檢測算法可用于多用戶接入技術(shù)中的信號分離過程，如碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）等。通過計(jì)算接收信號與準(zhǔn)正交碼表之間的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)了多用戶的區(qū)分和分離，從而實(shí)現(xiàn)并行的通信和接入。算法中的閾值設(shè)置和相關(guān)峰值的判決策略會影響檢測性能，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

2.2.2 基于信道統(tǒng)計(jì)互相關(guān)信息的序列檢測算法

基于信道統(tǒng)計(jì)的互相關(guān)信息的序列檢測算法廣泛應(yīng)用于無線通信，用于檢測接收信號中是否包含指定的序列。該算法通常用于序列識別、同步和錯(cuò)誤檢測等應(yīng)用。需要注意，基于信道統(tǒng)計(jì)的互相關(guān)信息的序列檢測算法的性能受多種因素的影響，包括信道特性、噪聲水平、信號功率等。因此，具體應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化和調(diào)整算法參數(shù)，以達(dá)到最佳的性能和準(zhǔn)確性。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 傳統(tǒng)互相關(guān)檢測在快衰落和慢衰落信道條件下的對比

無線通信中，傳統(tǒng)的互相關(guān)檢測算法在快衰落和慢衰落信道條件下有一些特點(diǎn)和區(qū)別?？焖ヂ湫诺朗切盘栐趥鞑ミ^程中經(jīng)歷劇烈的衰落變化，這種衰落往往由多徑效應(yīng)引起?？焖ヂ湫诺赖奶攸c(diǎn)是衰落速度快，頻率選擇性強(qiáng)，即不同頻率成分的衰落特性不同[5]?？焖ヂ浜吐ヂ湫诺罈l件對傳統(tǒng)互相關(guān)檢測算法的性能有一定影響：快衰落信道中，需要更精確的對齊和更強(qiáng)的抗干擾能力；慢衰落信道中，相對穩(wěn)定的信道環(huán)境有利于提高檢測性能?？焖ヂ浜吐ヂ錀l件下的信道響應(yīng)，如圖2 所示。

圖2 快衰落和慢衰落條件下的信道響應(yīng)

3.2 仿真結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)比較傳統(tǒng)互相關(guān)檢測算法在快衰落和慢衰落信道條件下的性能，結(jié)果分析如下。

（1）信號對齊精度。快衰落信道條件下，由于信號強(qiáng)度瞬時(shí)波動較大，互相關(guān)檢測算法需要更高的對齊精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在快衰落信道條件下，傳統(tǒng)的互相關(guān)檢測算法的對齊誤差較大，導(dǎo)致互相關(guān)結(jié)果的模糊性和干擾增加；在慢衰落信道條件下，信道環(huán)境相對穩(wěn)定，使得互相關(guān)檢測算法具有較好的對齊精度。

（2）多徑干擾抑制。在快衰落信道中，多徑效應(yīng)導(dǎo)致出現(xiàn)多個(gè)延遲的復(fù)制信號，給互相關(guān)檢測造成了困難。通過實(shí)驗(yàn)可以評估傳統(tǒng)互相關(guān)檢測算法在快衰落信道下的多徑干擾抑制能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：傳統(tǒng)算法對快衰落信道的多徑干擾抑制效果較差，需要均衡技術(shù)的支持；在慢衰落信道條件下，多徑干擾相對較小，使得傳統(tǒng)互相關(guān)檢測算法具有較好的性能。

（3）誤差率變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在慢衰落信道條件下，傳統(tǒng)互相關(guān)檢測算法的誤差率變化相對緩慢。這是因?yàn)槁ヂ湫诺乐行盘柕乃ヂ渥兓鄬^慢，傳統(tǒng)算法可以更穩(wěn)定地工作并具有一定的健壯性。相比之下，快衰落信道下的誤差率變化大，需要傳統(tǒng)算法具備更強(qiáng)的抗噪聲和干擾能力。

通過實(shí)驗(yàn)比較傳統(tǒng)互相關(guān)檢測在快衰落和慢衰落信道條件下的性能，可以得出不同的結(jié)果。傳統(tǒng)互相關(guān)檢測在處理快衰落信道時(shí)可能面臨對齊精度要求高和多徑干擾抑制困難等挑戰(zhàn)，而在慢衰落信道中，傳統(tǒng)算法具有較好的健壯性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合MIMO 技術(shù)和OFDM 技術(shù)的基本原理和優(yōu)勢，探討MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，提出了一系列解決方案，同時(shí)分析MIMO-OFDM 系統(tǒng)中的自適應(yīng)編碼和調(diào)制技術(shù)，提出了一種根據(jù)信道質(zhì)量自動選擇最佳方式的方案，優(yōu)化了系統(tǒng)的傳輸性能和頻譜利用率。MIMO-OFDM 無線通信傳輸與檢測技術(shù)的研究，對于促進(jìn)無線通信技術(shù)的發(fā)展和推動數(shù)字化社會的進(jìn)步具有重要意義。