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1、引言
4G移動通信在描繪高速的數據傳輸，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據，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據流，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OFDM的調制和解調，其工作原理圖如圖1所示。
圖1 OFDM工作原理圖
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)把數據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來實現調制和解調，便于DSP實現。（5）無線數據業(yè)務一般都存在非對稱性，即下行鏈路中的數據傳輸量要遠遠大于上行鏈路中的數據傳輸量，因此無論從用戶高速數據傳輸業(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據傳輸，而OFDM系統(tǒng)容易通過使用不同數量的子信道來實現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)實現高數據速率、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。
根據收發(fā)兩端天線數量，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。
