低頻部署下MIMO-OFDM 通信系統的頻譜利用效率分析

樊恒波，李秀成，王江超

(中通服咨詢設計研究院有限公司,北京100062)

0 引 言

為解決中國高頻段無線電頻段資源緊張問題，研究人員關注低頻部署下的多進多出-正交頻分復用（Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MIMO-OFDM）通信系統。該系統結合了MIMO 技術和OFDM 技術，通過多天線和子載波傳輸數據，提高信道容量和信號覆蓋范圍，增強抗干擾能力和頻譜利用率。此外，還引入空間分集和空時編碼等技術，以進一步提升系統性能，改善用戶感知體驗。

1 MIMO-OFDM 通信系統的基礎知識

1.1 MIMO 技術的原理與應用

1.1.1 MIMO 技術的原理

MIMO 技術是基于多個天線之間的獨立傳輸通道傳輸數據，在發送端使用多個天線同時發送不同的數據流，并在接收端使用多個天線接收這些數據流，工作原理如圖1 所示，減小信號在傳播過程中受到的干擾和衰減。MIMO 技術的主要優勢是在有限的頻譜和時間資源內提高系統的數據傳輸速率與可靠性。在MIMO 系統中，通過獨立天線發送的信號之間的傳播路徑不同，導致接收端收到的信號是不同路徑上信號的疊加。這種空間多樣性使得系統能夠更有效地應對信道中的衰落和干擾[1]。

圖1 MIMO 技術的原理

1.1.2 MIMO 技術的應用

MIMO 技術在無線通信領域如無線局域網和移動通信系統中有著廣泛的應用。例如，在長期演進（Long Term Evolution，LTE）標準中，應用MIMO 技術可以提高數據傳輸速率和系統容量。此外，MIMO 技術應用于蜂窩網絡、衛星通信等領域，能夠為各種通信場景提供靈活和高效的解決方案。

1.2 OFDM 技術的原理與特點

1.2.1 OFDM 技術的原理

OFDM 技術是將信號分成多個正交的子載波進行傳輸，有效抵抗多徑傳播引起的時延擴展。OFDM 技術采用頻分復用的方式，將高速數據流分割成多個低速子流，每個子流在不同子載波上傳輸。這些子載波間正交，彼此不會產生干擾。在接收端，通過對各個子載波進行解調和合并，可以還原原始的高速數據流[2]。

1.2.2 OFDM 技術的特點

（1）抗多徑干擾。由于采用多個正交子載波，OFDM 系統能夠有效應對多徑傳播引起的時延擴展。每個子載波擁有獨立的傳播路徑，信號可以經過不同的路徑到達接收端，從而減小多徑干擾的影響。

（2）頻譜利用效率高。OFDM 系統將高速數據流分割成多個低速子流，每個子流占據不同的頻帶，從而實現頻譜的高度復用。這種并行傳輸的方式可以提高頻譜利用效率，使系統在有限的頻譜資源下傳輸更多的數據。

（3）適應性調制。OFDM 系統可以根據實時信道條件動態地調整子載波的調制方式。在較好的信道條件下，可以采用更高階的調制方式以提高數據傳輸速率；在較差的信道條件下，系統可以自適應地選擇更為穩定的調制方式，以保障數據傳輸的可靠性和穩定性。

（4）抗頻率選擇性衰落。由于子載波之間正交，系統對頻率選擇性衰落的敏感性較低，能夠有效防范信號在頻率上衰落引起的傳輸質量下降問題。

2 低頻部署對MIMO-OFDM 系統的影響

2.1 低頻部署對信號傳輸性能的影響

在低頻部署下，信號的傳輸性能會受一系列因素的影響。一是信號衰減，由于低頻信號的波長相對較長，信號在傳播過程中易產生大范圍的自由空間路徑損耗，且低頻部署下信號的衰減相對較大，降低信號的傳輸強度。這種衰減可能導致信號質量下降，影響MIMO-OFDM 系統的傳輸性能。二是多徑效應，在低頻部署環境中，由于信號波長相對較長，多徑效應可能更為顯著。多徑效應導致信號在傳播過程中經歷多個路徑，在接收端產生時延擴展和相位失真，對于MIMO 系統的信號接收和解調產生負面影響，降低系統性能。三是干擾，低頻信號更易受外部電磁干擾的影響，如電源線干擾、天氣影響等。這些干擾源可能導致信號出現抖動、失真等問題，影響MIMOOFDM 系統的穩定性和性能。因此，在低頻部署下，需要更加關注系統對于外部干擾的抗性[3]。

2.2 低頻部署對頻譜利用效率的影響

頻譜利用效率是衡量通信系統性能的關鍵指標之一。在低頻部署下，頻譜利用效率可能面臨以下挑戰。

一是信號穿透能力。低頻信號相對于高頻信號具有更強的穿透能力，能夠更好地穿透障礙物，如建筑物和植被。盡管這有助于擴大通信覆蓋范圍，但也可能導致頻譜的非均勻利用，使得一部分頻譜資源被浪費在無須覆蓋的區域。

二是抗干擾能力。由于低頻信號更容易受外部干擾的影響，系統的抗干擾能力可能下降。這會導致頻譜資源被額外的干擾占用，從而減少可用頻譜的有效利用率。因此，在低頻部署下，需要采取有效的抗干擾措施，以維護系統的頻譜利用效率。

三是覆蓋范圍和穿透能力的平衡。低頻部署下，需要平衡覆蓋范圍和穿透能力之間的關系。頻譜資源的均勻利用需要考慮信號的傳播范圍，同時確保在有需要的區域內提供足夠的信號強度。

3 頻譜利用效率分析與優化策略

3.1 頻譜利用效率的評估指標與方法

采用一系列合適的評估指標和方法全面評估低頻部署下MIMO-OFDM 系統的頻譜利用效率，頻譜利用效率評估指標和分析方法主要有5 種。

3.1.1 信噪比

信噪比是衡量信號質量的重要指標之一。在低頻部署環境下，信號衰減和多徑效應等因素會導致信號質量下降。因此，測量接收到的信號與噪聲之比可以評估信號的清晰度和系統的穩定性。

3.1.2 系統容量

系統容量是指在單位頻譜資源下通信系統能夠支持的最大用戶數量或數據傳輸速率。在低頻部署下，信號衰減和頻譜利用不均勻會對系統容量造成影響。因此，評估系統容量可以了解系統在不同頻率條件下的性能。

3.1.3 頻譜利用率

頻譜利用率是指實際使用的頻譜資源與總可用頻譜資源的比例。在低頻部署環境中，信號的穿透能力和頻譜的非均勻利用會對頻譜利用率造成影響。

3.1.4 比特誤碼率

比特誤碼率是衡量數據傳輸質量的指標，在無線通信中更為關鍵。低頻部署下，由于信號衰減和多徑效應，比特誤碼率可能上升。

3.1.5 頻譜效率分析

分析低頻部署環境中信號的頻譜分布，可以了解不同頻段的利用狀況，從而有利于找出頻譜利用效率低的區域，并提出相應的優化策略。利用MATLAB軟件仿真MIMO-OFDM 通信系統中行人模型和車輛模型2 個信道模型的頻譜效率，仿真結果如圖2 所示。由圖2 可知，在低信噪比情況下，車輛信道模型相比行人模型有著更高的頻譜效率，隨著信噪比的逐步增加，兩者的頻譜效率趨于一致且達到最大值后不再增加。

圖2 MIMO-OFDM 通信系統的頻譜效率結果

3.2 針對低頻部署的MIMO-OFDM 系統的優化策略

低頻部署下，為提高MIMO-OFDM 系統的性能和頻譜利用效率，需要采取一系列有效的優化策略。

一是天線配置優化，通過優化天線配置，如天線數量和天線間距等參數，可以提升系統在低頻環境下的信號接收和傳輸性能。天線配置的合理設計有助于克服低頻環境中的信號衰減和多徑效應。

二是信道編碼改進，采用更為高效的信道編碼方案可以提高系統對于信號干擾和噪聲的容忍度。在低頻部署下，信號質量可能下降，因此采用更強大的信道編碼是提升系統性能的有效手段。

三是功率控制策略，在低頻部署環境中，采用智能的功率控制策略，根據實時信道狀況調整發送端的功率水平，可以有效提高系統的抗干擾能力和頻譜利用效率。

四是頻譜資源動態分配，采用動態頻譜資源分配策略，根據不同區域的需求調整頻譜資源的分配情況，有助于在低頻部署下更均勻地利用頻譜資源，提高系統整體的頻譜利用效率[4]。

五是引入智能重傳機制，針對低頻環境中可能出現的信號丟失問題，引入智能的重傳機制，根據信道狀況自適應地進行數據重傳，有利于改善系統的可靠性和性能。

4 低頻部署的MIMO-OFDM 系統的適用場景

4.1 農村和偏遠地區通信覆蓋

在農村和偏遠地區，通信基礎設施相對薄弱，地理環境復雜，傳統通信系統可能面臨覆蓋范圍狹窄、信號弱等問題。低頻部署的MIMO-OFDM 系統在這種場景下具有顯著優勢。一是強大的穿透能力，低頻信號具有更強的穿透力，能更好地穿透建筑物和植被等障礙物，實現更廣泛的通信覆蓋，滿足農村和偏遠地區廣泛分布的通信需求。二是抗多徑效應的優勢，由于地形復雜，農村和偏遠地區通常受多徑效應的影響，低頻部署下MIMO-OFDM 系統對多徑效應具有一定的抗性，有助于提升信號的傳輸質量[5]。三是低頻廣播的經濟性，低頻信號在廣播方面具有較好的經濟性，能夠覆蓋更廣闊的地域，降低基站的部署成本。

4.2 高層建筑內部通信環境

在建筑物內部通信系統中，由于建筑結構的復雜性，傳統通信系統受阻擋和多徑效應的影響，信號覆蓋不均勻。在這種場景下，低頻部署的MIMO-OFDM 系統具有以下優勢：一是信號穿透建筑，低頻信號能夠更好地穿透建筑物，達到高層建筑內部的各個角落，使通信覆蓋更加均勻。二是抗多徑效應。高層建筑內部通信環境復雜，多徑效應常常導致信號的時延擴展和相位失真。低頻部署下MIMO-OFDM 系統對多徑效應的抗性有助于提升信號的傳輸質量，降低通信中斷的概率。三是低頻信號的穩定性，在高層建筑內部，高頻信號更易受到衰減和反射等影響，而低頻信號在這種環境中更為穩定，保障通信的可靠性。

5 結 論

文章全面且深入地分析了低頻部署下MIMOOFDM 通信系統的頻譜利用效率，對提升通信系統性能具有一定的指導意義。未來的通信系統設計和優化中，可以根據文章提出的評估指標、優化策略和適用場景進行參考，以更好地滿足不同環境下的通信需求。