4G將提供高達100Mb/S甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,支持從語音到多媒體的業(yè)務(wù),實現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍牙、電視衛(wèi)星通信等的無縫連接,相互 兼容。數(shù)據(jù)傳輸速率還可以根據(jù)所要的速率不同進行動態(tài)調(diào)整。在有限的頻譜資源上實現(xiàn)如此高速率和大容量,需要提高頻譜效率。OFDM技術(shù)是可以高效地利用 頻譜資源并有效地對抗頻率選擇性衰落。MIMO利用多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收,在不增加帶寬和發(fā)送功率的情況下,可以成倍地提高信道容量。MIMO和 OFDM結(jié)合可以克服無線信道頻率選擇性衰落、增加系統(tǒng)容量、提高頻譜利用率,成為4G中關(guān)鍵技術(shù)之一,是當今移動通信領(lǐng)域研究的熱點。

1、MIMO技術(shù)
　　MIMO是無線通信領(lǐng)域智能天線的重大突破,它在發(fā)送端和接收端使用多天線（或天線陣）同時發(fā)送、接收信號,如圖1所示,若各發(fā)送、接收天線之間的信道沖激響應(yīng)獨立,MIMO就可以創(chuàng)造多個并行的空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息,傳輸速率必然可以增加。

圖1　MIMO系統(tǒng)框圖
　 　由于各發(fā)送天線同時發(fā)送的信號占用同一頻段,所以在沒有增加帶寬的情況下,成倍地提高了系統(tǒng)的容量和頻譜利用率在文獻[1]、[2]中已經(jīng)證明,信道容 量將會隨天線數(shù)目的增加而線性增加,如圖2所示。由圖2可知,當天線數(shù)目增多時,系統(tǒng)容量和信噪比幾乎成線性關(guān)系,同時也證明了MIMO能改善系統(tǒng)性能。

圖2　信道容量與天線根數(shù)之間關(guān)系
　　2、OFDM技術(shù)
　　OFDM的思想是使用多個并行的子載波傳輸數(shù)據(jù),并使相鄰的子載波間隔等于一個子載波的帶寬,子載波間相互正交。在理想情況下,接收端可以利用子載波間的正交性互不干擾地對各子載波進行解調(diào)。由于頻 譜重疊,OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率提高的幅度與一般的頻分復(fù)用相比幾乎達到一倍。在接收端,經(jīng)過無線信道后的OFDM信號各子信道間保持了原有的正交性, 信道干擾的影響簡化為一個復(fù)傳輸常數(shù)與一個子信道傳輸?shù)男盘栂喑?因此,對信號進行均衡變得很簡單。
　　3、MIMO-OFDM模型
　 　MIMO系統(tǒng)可以抗多徑衰落,但對于頻率選擇性衰落,MIMO仍無能為力,現(xiàn)在一般采用均衡技術(shù)和OFDM技術(shù)來解決。4G需要高的頻譜利用率的技術(shù), 但OFDM提高頻譜利用率的能力有限,若結(jié)合MIMO技術(shù),可以在不增加帶寬的情況下提高頻譜效率。它利用時間、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。MIMO-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　MIMO-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4、MIMO-OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
　　4.1　信道估計
　　信道估計,就是利用信號的確知信息來估計出實際信道的徑數(shù)和徑的系數(shù),目的是識別每副發(fā)送天線與接收天線之間的信道沖激響應(yīng)。
　 　目前信道估計有兩類：一類是基于訓(xùn)練序列或?qū)ьl的方法,此類方法在時變信道中,需要周期性地發(fā)送訓(xùn)練序列,訓(xùn)練序列的發(fā)送要占用信道容量,從而降低了信 道利用率,它的好處是估計誤差小,收斂速度快;另一類是采用盲方法來進行信道辨別,分為全盲和半盲信道估計。全盲信道估計是利用信道的輸出與輸入有關(guān)的統(tǒng) 計信息,在無需知道導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列的情況下估計信道參數(shù),好處是傳輸效率高,不足是魯棒性相對較差、收斂速度慢,而且運算量較大。半盲是結(jié)合盲處理和少量 導(dǎo)頻信號或訓(xùn)練序列,可以克服由碼間干擾和不同信號源干擾引起的對盲處理的限制。
　　盲方法可以提高信道利用率,更適合于高速數(shù)字通信信道,但全盲算法運算量相對較大,而且收斂速度慢,目前還難以實用化。而半盲算法是對盲算法和基于導(dǎo)頻法的折衷處理,降低了運算復(fù)雜度。可以預(yù)計,對盲信道估計的研究將成為MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計的熱點。
　　4.2　同步
　　MIMO-OFDM系統(tǒng)對定時和頻偏敏感,因此時域和頻率同步特別重要。MIMO-OFDM系統(tǒng)同步問題包括載波同步、符號同步和幀同步。
　　載波頻率不同步會破壞子載波間的正交性,不僅造成輸出信號幅度衰減及信號相位旋轉(zhuǎn),更嚴重是帶來ICI,同時還會影響到符號定時和幀同步的性能。所以載波同步對MIMO-OFDM系統(tǒng)尤為重要。
　　符號定時的目的是為了找到FFT窗的起始位置,使子系統(tǒng)保持正交,且ISI被完全消除或降至最小�？梢圆捎锰厥獾挠�(xùn)練序列或用循環(huán)前綴的相關(guān)特性進行符號定時。
　　幀同步是在OFDM符號流中找出幀的開始位置,在幀頭被檢測到的基礎(chǔ)上,接收機根據(jù)幀結(jié)構(gòu)的定義,以不同方式處理一幀中具有不同作用的符號。
4.3　分集技術(shù)
　　無線通信的不可靠性主要是由無線衰落信道時變和多徑特性引起的,如何在不增加功率和不犧牲帶寬情況下,同時減少多徑衰落對基站和移動臺的影響就顯得很重要。唯一方法是采用抗衰落技術(shù),克服多徑衰落的有效方法是各種分集技術(shù)。
　 　分集技術(shù)目前分為時間分集、頻率分集和空間分集等。時間分集是在時域內(nèi)提供多個信號副本,為獲得好的分集效果,要求發(fā)送冗余信號的若干時隙之間相互獨 立。頻率分集就是在不同載波頻率上提供多個信號副本,要求幾個載波頻率間隔要大于衰落信道的相干帶寬,從而獲得比較好的分集增益�？臻g分集就是采用多個天 線發(fā)送和接收數(shù)據(jù),為保證多個發(fā)送或多個接收信號之間的獨立性,要求各個天線之間距離要足夠大,一般大于若干個波長。 
　　每一種分集技術(shù)都有它的適用的場合,因此在新一代移動通信系統(tǒng)中,必須考慮多種技術(shù)的結(jié)合。
　　4.4　空時編碼
　　空時編碼是有效提高頻譜利用率的重要方案之一。目前空時編碼方式主要有：1）分層空時碼[3]（LST）;2）空時格形碼[4]（STTC）;3）空時分組碼[5-7]（STBC）;4）空時頻編碼（STFC）。
　　LST的特點是其編解碼的過程非常簡單,其編碼性能是這幾種編碼方法中最差的,最根本原因是由于它沒有實現(xiàn)分集。
　　STTC是由AT&T實驗室的Tarokh博士領(lǐng)導(dǎo)的科研小組提出的,它是利用格形編碼原則,對輸入碼元進行編碼,然后再通過天線陣發(fā)射,其優(yōu)點是具有高的分集增益和編碼增益、發(fā)射帶寬無損失,缺點是其解碼復(fù)雜度隨發(fā)射速率的增大而指數(shù)增加,其解碼過程極其復(fù)雜。

STBC支持最大似然檢測（ML）,接收端采用線性處理技術(shù),優(yōu)點是譯碼復(fù)雜度比STTC大大的降低,而且有效的獲得了分集增益,并沒有展寬帶寬,沒有犧牲頻譜效率,缺點是不能提供任何實質(zhì)上的編碼增益。

　STFC是MIMO-OFDM的一項新技術(shù)。STFC-OFDM系統(tǒng)將時間、空間和頻率三種分集有效結(jié)合在一起,在一定情況下能獲得全滿的分集增益,從而提高系統(tǒng)的性能。

5、總結(jié)

　　本文介紹了MIMO-OFDM技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù),如信道估計、同步、分集技術(shù)和空時編碼等。由于MOMO和OFDM技術(shù)的結(jié)合,既能提高分集增益和系統(tǒng)容量,又能增加頻譜利用率,有效對抗頻率選擇性衰落。因此成為4G移動通信系統(tǒng)研究的熱點問題。