什么是MIMO-OFDM技術(shù)

摘要

??? 第四代移動(dòng)通信提供高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而MIMO和OFDM提高了頻譜效率，從而提供高傳輸速率和系統(tǒng)容量的技術(shù)。兩者的結(jié)合已經(jīng)成為第四代移動(dòng)通信技術(shù)研究中的熱點(diǎn)。通過(guò)這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以為系統(tǒng)提供高傳輸速率，同時(shí)也能提高系統(tǒng)容量,降低成本。文中詳細(xì)介紹了這兩種技術(shù)及信道估計(jì)。

圖1. 采用MIMO-OFDM技術(shù)的新標(biāo)準(zhǔn)。

??? 一、引言

??? 目前沒有第四代移動(dòng)通信的確切定義，但比較認(rèn)同的解釋是：“第四代移動(dòng)通信的概念可稱為寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò),具有非對(duì)稱的和超過(guò)2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括寬帶無(wú)線固定接入、寬帶無(wú)線局域網(wǎng)、移動(dòng)寬帶系統(tǒng)、互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星系統(tǒng)等。此外，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)將是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100Mbit/s甚至更高，也是寬帶接入IP系統(tǒng)”。簡(jiǎn)單而言，4G是一種超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級(jí)高速公路。這樣在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)高速率和大容量,需要頻譜效率極高的技術(shù)。MIMO技術(shù)充分開發(fā)空間資源,利用多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。OFDM技術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，其多載波之間相互正交,可以高效地利用頻譜資源，另外，OFDM將總帶寬分割為若干個(gè)窄帶子載波可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。因此充分開發(fā)這兩種技術(shù)的潛力,將二者結(jié)合起來(lái)可以成為新一代移動(dòng)通信核心技術(shù)的解決方案，下面詳細(xì)介紹這兩種技術(shù)及其二者的結(jié)合方案。

??? 二、MIMO技術(shù)

??? MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來(lái)抑制信道衰落。MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別設(shè)置多副發(fā)射天線和接收天線，其出發(fā)點(diǎn)是將多發(fā)送天線與多接收天線相結(jié)合以改善每個(gè)用戶的通信質(zhì)量（如差錯(cuò)率）或提高通信效率（如數(shù)據(jù)速率）。MIMO技術(shù)實(shí)質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益，空間復(fù)用技術(shù)可以大大提高信道容量，而空間分集則可以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素，然而對(duì)于MIMO來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用，MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑衰落影響因素變成對(duì)用戶通信性能有利的增強(qiáng)因素，MIMO技術(shù)有效地利用隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來(lái)成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率，因此它能夠在不增加所占用的信號(hào)帶寬的前提下使無(wú)線通信的性能改善幾個(gè)數(shù)量級(jí)。假定發(fā)送端有N個(gè)發(fā)送天線，有M個(gè)接收天線，在收發(fā)天線之間形成M×N信道矩陣H，在某一時(shí)刻t，信道矩陣為：

??? 其中H的元素是任意一對(duì)收發(fā)天線之間的增益。對(duì)于信道矩陣參數(shù)確定的MIMO信道，假定發(fā)送端不知道信道信息，總的發(fā)送功率為，與發(fā)送天線的數(shù)量M無(wú)關(guān)；接收端的噪聲用N×1向量n表示，是獨(dú)立零均值高斯復(fù)變量，各個(gè)接收天線的噪聲功率均為；發(fā)送功率平均分配到每一個(gè)發(fā)送天線上，則容量公式為：

??? 令M不變，增大N，使得，這時(shí)可以得到容量的近似表達(dá)式：

??? 從上式可以看出，此時(shí)的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說(shuō)可以利用MIMO信道成倍地提高無(wú)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。利用MIMO技術(shù)可以成倍提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。常見的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼。空時(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。

??? 圖1 MIMO系統(tǒng)框圖

??? 三、OFDM技術(shù)

??? 根據(jù)多徑信道在頻域中表現(xiàn)出來(lái)的頻率選擇性衰落特性，提出正交頻分復(fù)用的調(diào)制技術(shù)。如圖2所示，正交頻分復(fù)用的基本原理是把高速的數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸，在頻域內(nèi)將信道劃分為若干互相正交的子信道，每個(gè)子信道均擁有自己的載波分別進(jìn)行調(diào)制，信號(hào)通過(guò)各個(gè)子信道獨(dú)立傳輸。如果每個(gè)子信道的帶寬被劃分得足夠窄，每個(gè)子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的，即每個(gè)子信道都可看作無(wú)符號(hào)間干擾（ISI）的理想信道，這樣在接收端不需要使用復(fù)雜的信道均衡技術(shù)即可對(duì)接收信號(hào)可靠地解調(diào)。在OFDM系統(tǒng)中，在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔來(lái)保證頻域子信道之間的正交性，消除OFDM符號(hào)之間的干擾。

??? 但是要注意，在發(fā)送端實(shí)際發(fā)送1個(gè)OFDM時(shí)域序列的長(zhǎng)度為Nd+Nc，Nd是一個(gè)OFDM符號(hào)能夠傳送的頻域符號(hào)數(shù)，加在前面長(zhǎng)度為Nc的序列稱為循環(huán)前綴（CyclicPrefix）或防護(hù)間隔（GuardInterval），利用它使得前—OFDM符號(hào)對(duì)當(dāng)前OFDM符號(hào)的干擾只影響到循環(huán)前綴部分，不會(huì)對(duì)當(dāng)前OFDM符號(hào)造成影響，這就有效地消除了OFDM符號(hào)之間的干擾（ISI）。引入循環(huán)前綴會(huì)使系統(tǒng)的傳輸效率有所下降，但這是為保證OFDM子載波之間的正交性和消除OFDM符號(hào)間干擾所必須付出的代價(jià)。OFDM技術(shù)之所以越來(lái)越受關(guān)注，是因?yàn)镺FDM有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

??? （1）頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線環(huán)境中很重要。OFDM信號(hào)的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。

??? （2）抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，由于OFDM系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分散到許多個(gè)子載波上，大大降低了各子載波的符號(hào)速率，從而減弱多徑傳播的影響，若再通過(guò)采用加循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔的方法，甚至可以完全消除符號(hào)間干擾。

??? （3）采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。通過(guò)選取各子信道，每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。即要求各子信道信息分配應(yīng)遵循信息論中的“注水定理”，亦即優(yōu)質(zhì)信道多傳送，較差信道少傳送，劣質(zhì)信道不傳送的原則。

??? （4）通過(guò)各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒有必要再加時(shí)域均衡器。但通過(guò)將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，可以使系統(tǒng)性能得到提高。

??? （5）基于離散傅立葉變換（DFT）的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用DSP實(shí)現(xiàn)。

??? 圖2 OFDM系統(tǒng)框圖

??? 四、MIMO與OFDM的結(jié)合

??? MIMO系統(tǒng)在一定程度上可以利用傳播中多徑分量，也就是說(shuō)MIMO可以抗多徑衰落，但是對(duì)于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)依然是無(wú)能為力。目前解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術(shù)，還有一種是利用OFDM。大多數(shù)研究人員認(rèn)為OFDM技術(shù)是4G的核心技術(shù)，4G需要極高頻譜利用率的技術(shù)，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在OFDM的基礎(chǔ)上合理開發(fā)空間資源，也就是MIMO-OFDM，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外ODFM由于碼率低和加入了時(shí)間保護(hù)間隔而具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡(luò)（SFN）可以用于寬帶OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機(jī)組成的發(fā)射機(jī)陣列消除陰影效應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。下面給出MIMO-OFDM的結(jié)合方案。

??? 圖3 MIMO-OFDM系統(tǒng)框圖

??? 在本方案中的數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次串并轉(zhuǎn)換，首先將數(shù)據(jù)分成N個(gè)并行數(shù)據(jù)流，將這N個(gè)數(shù)據(jù)流中的第n（n∈[1，N]）個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行第二次串并轉(zhuǎn)換成L個(gè)并行數(shù)據(jù)流，分別對(duì)應(yīng)L個(gè)子載波，將這L個(gè)并行數(shù)據(jù)流進(jìn)行IFFT變換，將信號(hào)從頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，然后從第n（n∈[1，N]）個(gè)天線上發(fā)送出去。這樣共有NL個(gè)M-QAM符號(hào)被發(fā)送。整個(gè)MIMO系統(tǒng)假定具有N個(gè)發(fā)送天線，M個(gè)接收天線。在接收端第m（m∈[1，M]）個(gè)天線接收到的第l個(gè)子載波的接收信號(hào)為：

??? 其中Hm,n,l是第l個(gè)子載波頻率上的從第n個(gè)發(fā)送天線到第m個(gè)接收天線之間的信道矩陣，并且假定該信道矩陣在接收端是已知的，Cn,l是第個(gè)子載波頻率上的從第n個(gè)發(fā)送天線發(fā)送的符號(hào)，ηm,l是第l個(gè)子載波頻率上的從第m個(gè)接收天線接收到的高斯白噪聲。這樣在接收端接收到的第l個(gè)子載波頻率上的N個(gè)符號(hào)可以通過(guò)V-BLAST算法進(jìn)行解譯碼，重復(fù)進(jìn)行L次以后，NL個(gè)M-QAM符號(hào)可以被恢復(fù)。

??? 4.1MIMO-OFDM的信道估計(jì)

??? 在一個(gè)傳輸分集的OFDM系統(tǒng)中，只有在收端有很好的信道信息時(shí)，空時(shí)碼才能進(jìn)行有效的解碼。估計(jì)信道參數(shù)的難度在于，對(duì)于每一個(gè)天線每一個(gè)子載波都對(duì)應(yīng)多個(gè)信道參數(shù)。但好在對(duì)于不同的子載波，同一空分信道的參數(shù)是相關(guān)的。根據(jù)這一相關(guān)性，可以得到參數(shù)的估計(jì)方法。MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)方法一般有三種：非盲信道估計(jì)、盲信道估計(jì)和半盲信道估計(jì)。下面分別對(duì)這三種信道估計(jì)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

??? 4.1.1非盲信道估計(jì)

??? 非盲信道估計(jì)是通過(guò)在發(fā)送端發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)或訓(xùn)練序列，接收端根據(jù)所接收的信號(hào)估計(jì)出導(dǎo)頻處或訓(xùn)練序列處的信道參數(shù)，然后根據(jù)導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列處的信道參數(shù)得到數(shù)據(jù)信號(hào)處的信道參數(shù)。當(dāng)信道為時(shí)變信道時(shí)，即使是慢時(shí)變信道，也必須周期性的發(fā)射訓(xùn)練序列，以便及時(shí)更新信道估計(jì)。這類方法的好處是估計(jì)誤差小，收斂速度快，不足是由于發(fā)送導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列而浪費(fèi)了一定的系統(tǒng)資源。

??? 4.1.2盲信道估計(jì)

??? 盲信道估計(jì)是利用信道的輸出以及與輸入有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，在無(wú)需知道導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列的情況下估計(jì)信道參數(shù)。其好處是傳輸效率高，不足是魯棒性相對(duì)較差、收斂速度慢，而且運(yùn)算量較大。

??? 4.1.3半盲信道估計(jì)

??? 半盲信道估計(jì)是在盲信道估計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它利用盡量少的導(dǎo)頻信號(hào)或訓(xùn)練序列來(lái)確定盲信道估計(jì)算法所需的初始值，然后利用盲信道估計(jì)算法進(jìn)行跟蹤、優(yōu)化，獲得信道參數(shù)。由于盲信道算法運(yùn)算復(fù)雜度較高，目前還存在很多問題，難以實(shí)用化。而半盲信道估計(jì)算法有望在非盲算法和盲算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行折衷處理，從而降低運(yùn)算復(fù)雜度?？梢灶A(yù)計(jì)，對(duì)盲及半盲信道估計(jì)的研究將成為MIMO-OFDM信道估計(jì)研究的熱點(diǎn)。

??? 五、結(jié)束語(yǔ)

??? 在未來(lái)的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中存在兩個(gè)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。OFDM將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道，減小了多徑衰落的影響，而MIMO技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就有效地提高了系統(tǒng)的傳輸速率，即在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率。這樣，將OFDM和MIMO兩種技術(shù)相結(jié)合就能達(dá)到兩種效果：一種是實(shí)現(xiàn)很高的傳輸速率，另一種是通過(guò)分集實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的可靠性，同時(shí)，在MIMO-OFDM中加入合適的數(shù)字信號(hào)處理的算法能更好地增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MIMO-FDM技術(shù)是OFDM與MIMO技術(shù)結(jié)合形成的新技術(shù)，通過(guò)在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實(shí)現(xiàn)空間分集，提高了信號(hào)質(zhì)量，充分利用了時(shí)間、頻率和空間3種分集技術(shù)，大大增加了無(wú)線系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑的容限。因此，基于OFDM的MIMO系統(tǒng)具有逼近極限的系統(tǒng)容量和良好的抗衰落特性，可以預(yù)見，它將是下一代網(wǎng)絡(luò)采用的核心技術(shù)。