4G中MIMO-OFDM系統(tǒng)的研究

相關(guān)專(zhuān)題: 無(wú)線(xiàn)

1、引言

4G移動(dòng)通信在描繪高速的數(shù)據(jù)傳輸,提供從語(yǔ)音到多媒體業(yè)務(wù)豐富業(yè)務(wù)美好前景的同時(shí),也面臨著兩大挑戰(zhàn):多徑衰落和帶寬利用率。OFDM技術(shù)通過(guò)將信道分解為多個(gè)正交子信道的方法實(shí)現(xiàn)了頻率選擇性多徑衰落信道向平坦衰落信道的轉(zhuǎn)化,有效地減小了多徑衰落的影響。而MIMO技術(shù)能在空間中產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的并行信道同時(shí)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(shù)的有效結(jié)合已成為新一代移動(dòng)通信的必然趨勢(shì)。

2、MIMO-OFDM技術(shù)

2.1 OFDM技術(shù)

正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種無(wú)線(xiàn)環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用將頻帶分為若干個(gè)不重疊的子頻帶來(lái)傳輸并行數(shù)據(jù)流,子信道之間要保留保護(hù)頻帶。而OFDM技術(shù)中各個(gè)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(shí)際上是一種多載波并行調(diào)制方式,其將符號(hào)周期擴(kuò)大為原來(lái)的N倍,從而提高了抗多徑衰落的能力。可以通過(guò)IFFT(快速傅立葉反變換)和FFT(快速傅立葉變換)分別來(lái)實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制和解調(diào),其工作原理圖如圖1所示。

圖1 OFDM工作原理圖

OFDM技術(shù)之所以越來(lái)越受關(guān)注,原因在于其存在如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):(1)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。通過(guò)采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔,避免了信道間干擾(ICI)。(2)頻譜利用率高。這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線(xiàn)通信中很重要。OFDM信號(hào)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(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)使系統(tǒng)達(dá)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(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)OFDM技術(shù)基于離散傅立葉變換(DFT),可采用IFFT和FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào),便于DSP實(shí)現(xiàn)。(5)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對(duì)稱(chēng)性,即下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量,因此無(wú)論從用戶(hù)高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求,還是從無(wú)線(xiàn)通信自身來(lái)考慮,都希望物理層支持非對(duì)稱(chēng)高速數(shù)據(jù)傳輸,而OFDM系統(tǒng)容易通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

當(dāng)然,OFDM系統(tǒng)也還存在如下主要缺點(diǎn):(1)易受頻率偏差的影響。無(wú)線(xiàn)信道中的多普勒頻移、頻率偏差都會(huì)造成OFDM系統(tǒng)子信道之間正交性的破壞,導(dǎo)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(diào)制的輸出信號(hào)由多個(gè)子信道上的信號(hào)疊加而成,當(dāng)這些信號(hào)的相位一致時(shí),輸出信號(hào)的瞬時(shí)功率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均功率。高峰均比對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線(xiàn)性提出了極高的要求,如果放大器的動(dòng)態(tài)范圍不能滿(mǎn)足信號(hào)幅度的變化,就會(huì)造成信號(hào)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(shù)

多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)是第三代和未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、大系統(tǒng)容量,提高傳輸質(zhì)量的重要技術(shù)。在當(dāng)前第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中,下行鏈路的容量構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。但如果在發(fā)送端或接收端使用多天線(xiàn)系統(tǒng),此時(shí)的信道容量將隨著天線(xiàn)數(shù)量的增加而線(xiàn)性增大,同時(shí)在不增加帶寬和天線(xiàn)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(xiàn)數(shù)量,相對(duì)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(jié)合的必要性

經(jīng)研究表明MIMO和OFDM技術(shù)各有利弊。OFDM技術(shù)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(shí)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(fù)用技術(shù)在理論上可無(wú)限提高系統(tǒng)容量,利用空間分集技術(shù)可以抗多徑衰落,但MIMO系統(tǒng)對(duì)于頻率選擇性衰落無(wú)能為力,因此有必要將兩者有效地結(jié)合起來(lái)。OFDM與MIMO技術(shù)結(jié)合構(gòu)成的MIMO-OFDM系統(tǒng)既可以達(dá)到很高的傳輸效率,又有很強(qiáng)的可靠性,其必將成為未來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域的核心技術(shù)。

 

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