4G中MIMO-OFDM系統(tǒng)的研究
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4G移動通信在描繪高速的數(shù)據(jù)傳輸，提供從語音到多媒體業(yè)務豐富業(yè)務美好前景的同時，也面臨著兩大挑戰(zhàn)：多徑衰落和帶寬利用率。OFDM技術通過將信道分解為多個正交子信道的方法實現(xiàn)了頻率選擇性多徑衰落信道向平坦衰落信道的轉化，有效地減小了多徑衰落的影響。而MIMO技術能在空間中產生多個獨立的并行信道同時傳輸數(shù)據(jù)，在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下提高了頻譜利用率。因此，OFDM和MIMO技術的有效結合已成為新一代移動通信的必然趨勢。
2、MIMO-OFDM技術
2.1 OFDM技術
正交頻分復用（OFDM）是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術。傳統(tǒng)的頻分復用將頻帶分為若干個不重疊的子頻帶來傳輸并行數(shù)據(jù)流，子信道之間要保留保護頻帶。而OFDM技術中各個子載波之間相互正交，允許子信道的頻譜相互重疊，因此OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。OFDM實際上是一種多載波并行調制方式，其將符號周期擴大為原來的N倍，從而提高了抗多徑衰落的能力。可以通過IFFT（快速傅立葉反變換）和FFT（快速傅立葉變換）分別來實現(xiàn)OFDM的調制和解調，其工作原理圖如圖1所示。
圖
OFDM技術之所以越來越受關注，原因在于其存在如下獨特的優(yōu)點：（1）抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強。由于OFDM系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分散到多個子載波上，大大降低了各子載波的符號速率，從而減弱多徑傳播的影響。通過采用循環(huán)前綴作為保護間隔，避免了信道間干擾（ICI）。（2）頻譜利用率高。這一點在頻譜資源有限的無線通信中很重要。OFDM信號的相鄰子載波相互重疊，理論頻譜利用率可以接近奈奎斯特極限。（3）采用動態(tài)子載波分配技術使系統(tǒng)達到最大比特率。即各子信道信息分配遵循信息論中的“注水定理”，亦即優(yōu)質信道多傳送，較差信道少傳送，劣質信道不傳送的原則。（4）OFDM技術基于離散傅立葉變換（DFT），可采用IFFT和FFT來實現(xiàn)調制和解調，便于DSP實現(xiàn)。（5）無線數(shù)據(jù)業(yè)務一般都存在非對稱性，即下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量要遠遠大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，因此無論從用戶高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的需求，還是從無線通信自身來考慮，都希望物理層支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸，而OFDM系統(tǒng)容易通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。
當然，OFDM系統(tǒng)也還存在如下主要缺點：（1）易受頻率偏差的影響。無線信道中的多普勒頻移、頻率偏差都會造成OFDM系統(tǒng)子信道之間正交性的破壞，導致信道間干擾。（2）存在較高的峰值平均功率比（PAR）。由于多載波調制的輸出信號由多個子信道上的信號疊加而成，當這些信號的相位一致時，輸出信號的瞬時功率會遠遠大于平均功率。高峰均比對發(fā)射機內放大器的線性提出了極高的要求，如果放大器的動態(tài)范圍不能滿足信號幅度的變化，就會造成信號和頻譜的畸變，從而破壞子載波的正交性，使系統(tǒng)性能惡化。
2.2 MIMO技術
多輸入多輸出（MIMO）技術是第三代和未來移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、大系統(tǒng)容量，提高傳輸質量的重要技術。在當前第三代移動通信系統(tǒng)中，下行鏈路的容量構成了整個系統(tǒng)的瓶頸。但如果在發(fā)送端或接收端使用多天線系統(tǒng)，此時的信道容量將隨著天線數(shù)量的增加而線性增大，同時在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率也成倍地提高。
根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multiple-Output）系統(tǒng)和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統(tǒng)。圖2所示即為典型的MIMO系統(tǒng)原理圖。
圖2 MIMO系統(tǒng)原理圖
2.3 MIMO同OFDM結合的必要性
經研究表明MIMO和OFDM技術各有利弊。OFDM技術是一種特殊的多載波傳輸方案，OFDM將總帶寬分割為若干窄帶子載波可以有效抵抗頻率選擇性衰落，同時其多載波之間的相互正交性，又有效地利用了頻譜資源，但OFDM提高系統(tǒng)容量的能力畢竟有限。而MIMO系統(tǒng)利用空間復用技術在理論上可無限提高系統(tǒng)容量，利用空間分集技術可以抗多徑衰落，但MIMO系統(tǒng)對于頻率選擇性衰落無能為力，因此有必要將兩者有效地結合起來。OFDM與MIMO技術結合構成的MIMO-OFDM系統(tǒng)既可以達到很高的傳輸效率，又有很強的可靠性，其必將成為未來移動通信領域的核心技術。
3、MIMO-OFDM系統(tǒng)模型及其關鍵技術
3.1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型
MIMO-OFDM系統(tǒng)模型的發(fā)射端原理圖如圖3所示。即發(fā)送比特流經串并轉換后形成若干路并行比特流，各路比特流都分別經過編碼、交織后進行相應的星座圖映射（QAM，QPSK），隨后插入抗信道間干擾的保護間隔，然后進行OFDM調制（IFFT），再加上抗時延擴展的循環(huán)前綴（CP），最后由相應的天線發(fā)射出去。
圖3 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型發(fā)射端原理圖
MIMO-OFDM系統(tǒng)模型的接收端原理圖如圖4所示。即各個接收天線收到相應的OFDM符號后，先進行時頻同步處理，然后去掉相應的CP，接著進行OFDM解調（FFT），最后根據(jù)信道估計的結果進行檢測解碼，恢復出接收比特流。
圖4 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型接收端原理圖
3.2 MIMO-OFDM系統(tǒng)關鍵技術
要構建MIMO-OFDM系統(tǒng)需要實現(xiàn)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。
1.同步技術
同步是傳送數(shù)據(jù)進行可靠恢復的基礎，由于MIMO-OFDM系統(tǒng)對頻率偏差非常敏感，因此頻率同步尤為重要，除此之外還包括：符號（幀）定時同步、采樣時鐘同步。總地來講，同步可以在時域進行，也可以在頻域進行，一般情況下在時域進行同步的粗略估計，在頻域進行同步的細估計。根據(jù)是否利用輔助數(shù)據(jù)，同步估計的算法分為：基于訓練序列/導頻的算法，
2.空時處理技術
空間處理技術包括空間復用技術和空時編碼技術兩部分。典型的空間復用技術是貝爾實驗室空時分層結構（BLAST），包括V-BLAST，H-BLAST和D-BALST三種。其中最基本的形式是針對平坦衰落信道的V-BLAST結構，它是純粹的MIMO多路傳輸，可獲得最大速率?？諘r編碼技術（STC）在不同天線所發(fā)送的信號中引入時間和空間的相關性，從而在不犧牲帶寬的情況下，提供不編碼系統(tǒng)所沒有的分集增益和編碼增益?？諘r編碼做到了編碼、調制和空間分集的完美結合，經典的空時編碼包括：空時格碼（STTC，Space-Time Trellis Code）和空時分組碼（STBC，Space-Time Block Code）。空時格碼可以達到滿分集增益，抗衰落性能比較好，而空時分組碼基于正交性的設計，在獲得更大的分集增益的同時，也降低了譯碼的復雜度，因此STBC得到了廣泛的應用。
3.自適應調制和編碼技術
自適應調制和編碼（AMC）根據(jù)信道的情況確定當前信道的容量，再根據(jù)容量確定合適的編碼調制方式等，以便最大限度地發(fā)送信息，實現(xiàn)比較高的速率。AMC能提供可變化的調制編碼方案（共七級調制方案）以適應每一個用戶的信道質量。自適應編碼調制技術主要包括RCPT（Rate Compatible Puncturing Turbo codes）和高階調制（MPSK & M-QAM）的結合、H-ARQ和MIMO等。AMC對測量誤差和時延比較敏感是面臨的技術挑戰(zhàn)。
4.信道估計技術
多徑性和時變性是無線信道的兩大特點，并且當系統(tǒng)采用空時編碼時，接收端在準確知道信道特性的情況下才能進行有效的解碼，因此準確的信道估計對無線系統(tǒng)尤為重要。根據(jù)是否利用導頻信息，MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計算法分為：基于訓練序列/導頻的信道估計算法，盲信道估計算法和半盲信道估計算法。所有的算法都是基于某種準則的，其中最常用的準則有：最小二乘（LS）準則和最小均方誤差（MMSE）準則。
●基于導頻的信道估計：通過在發(fā)送的OFDM符號中插入導頻（塊狀導頻、梳狀導頻）信號，接收端根據(jù)導頻位置處的接收信號估計出導頻位置處信道頻率響應，然后再根據(jù)內插算法計算出整個信道的頻率響應。典型的算法有：最小二乘（LS）算法，線性最小均方誤差（LMMSE）算法和最大似然（ML）算法。此類方法估計誤差小，收斂速度快，對該算法的研究最成熟，但由于要發(fā)送導頻或訓練序列，需占用一定的系統(tǒng)資源。
●盲信道估計：利用信道的統(tǒng)計信息諸如循環(huán)平穩(wěn)特性等進行信道估計。由于無需傳輸導頻信號和訓練序列，從而節(jié)約了開銷，提高了系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)傳輸效率，但此類算法處理數(shù)據(jù)量大，算法復雜，收斂速度慢，在實際中很少使用。
●半盲信道估計：它使用盡量少的導頻信號或訓練序列來確定盲信道估計算法所需的初始值，然后利用盲估計算法進行跟蹤、優(yōu)化，最后獲得信道參數(shù)。該算法是導頻輔助算法和盲估計算法之間的一個折衷。半盲估計算法降低了盲估計算法的運算復雜度，并加快了其收斂速度，預計對半盲估計算法的研究將成為未來研究的重點。
4、結束語
MIMO和OFDM技術結合的系統(tǒng)做到了揚長避短，既有效對抗了MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落，又提高了OFDM系統(tǒng)中的系統(tǒng)容量和頻譜利用率，因此，MIMO-OFDM系統(tǒng)及其相關技術必將成為第四代移動通信領域研究的熱點和重點。
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