4G移動(dòng)通信中的OFDM-MIMO技術(shù)研究

摘要  介紹了4G移動(dòng)通信中的OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)的基本原理及MIMO-OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括信道估計(jì)、同步、分集技術(shù)和空時(shí)編碼技術(shù)。MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)結(jié)合，成為4G移動(dòng)通信中有效對(duì)抗頻率選擇性衰落、提高數(shù)據(jù)傳輸速率、增大系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)，是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)問題。

1、引言

4G將提供高達(dá)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(shí)現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍(lán)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(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在有限的頻譜資源上實(shí)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(duì)抗頻率選擇性衰落。MIMO利用多個(gè)天線實(shí)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(dāng)今移動(dòng)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

2、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(shí)發(fā)送、接收信號(hào)，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(dú)立，MIMO就可以創(chuàng)造多個(gè)并行的空間信道。通過這些并行空間信道獨(dú)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(shí)發(fā)送的信號(hào)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(xiàn)[1]、[2]中已經(jīng)證明，信道容量將會(huì)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(dāng)天線數(shù)目增多時(shí)，系統(tǒng)容量和信噪比幾乎成線性關(guān)系，同時(shí)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

3、OFDM技術(shù)

OFDM的思想是使用多個(gè)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(gè)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(duì)各子載波進(jìn)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(dá)到一倍。在接收端，經(jīng)過無線信道后的OFDM信號(hào)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(gè)復(fù)傳輸常數(shù)與一個(gè)子信道傳輸?shù)男盘?hào)相乘，因此，對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡變得很簡單。

4、MIMO-OFDM模型

MIMO系統(tǒng)可以抗多徑衰落，但對(duì)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(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對(duì)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

5、MIMO-OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

5.1　信道估計(jì)

信道估計(jì)，就是利用信號(hào)的確知信息來估計(jì)出實(shí)際信道的徑數(shù)和徑的系數(shù)，目的是識(shí)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(jì)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(shí)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(jì)誤差小，收斂速度快；另一類是采用盲方法來進(jìn)行信道辨別，分為全盲和半盲信道估計(jì)。全盲信道估計(jì)是利用信道的輸出與輸入有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，在無需知道導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列的情況下估計(jì)信道參數(shù)，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。半盲是結(jié)合盲處理和少量導(dǎo)頻信號(hào)或訓(xùn)練序列，可以克服由碼間干擾和不同信號(hào)源干擾引起的對(duì)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(yùn)算量相對(duì)較大，而且收斂速度慢，目前還難以實(shí)用化。而半盲算法是對(duì)盲算法和基于導(dǎo)頻法的折衷處理，降低了運(yùn)算復(fù)雜度�？梢灶A(yù)計(jì)，對(duì)盲信道估計(jì)的研究將成為MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)的熱點(diǎn)。

5.2　同步

MIMO-OFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和頻偏敏感，因此時(shí)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(hào)同步和幀同步。

載波頻率不同步會(huì)破壞子載波間的正交性，不僅造成輸出信號(hào)幅度衰減及信號(hào)相位旋轉(zhuǎn)，更嚴(yán)重是帶來ICI，同時(shí)還會(huì)影響到符號(hào)定時(shí)和幀同步的性能。所以載波同步對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)尤為重要。

符號(hào)定時(shí)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(jìn)行符號(hào)定時(shí)。

幀同步是在OFDM符號(hào)流中找出幀的開始位置，在幀頭被檢測(cè)到的基礎(chǔ)上，接收機(jī)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(hào)。

5.3　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(shí)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(shí)減少多徑衰落對(duì)基站和移動(dòng)臺(tái)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(shí)間分集、頻率分集和空間分集等。時(shí)間分集是在時(shí)域內(nèi)提供多個(gè)信號(hào)副本，為獲得好的分集效果，要求發(fā)送冗余信號(hào)的若干時(shí)隙之間相互獨(dú)立。頻率分集就是在不同載波頻率上提供多個(gè)信號(hào)副本，要求幾個(gè)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。空間分集就是采用多個(gè)天線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為保證多個(gè)發(fā)送或多個(gè)接收信號(hào)之間的獨(dú)立性，要求各個(gè)天線之間距離要足夠大，一般大于若干個(gè)波長。

每一種分集技術(shù)都有它的適用的場(chǎng)合，因此在新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，必須考慮多種技術(shù)的結(jié)合。

5.4　空時(shí)編碼

空時(shí)編碼是有效提高頻譜利用率的重要方案之一。目前空時(shí)編碼方式主要有：1）分層空時(shí)碼[3]（LST）；2）空時(shí)格形碼[4]（STTC）；3）空時(shí)分組碼[5-7]（STBC）；4）空時(shí)頻編碼（STFC）。

LST的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)分集。

STTC是由AT&T實(shí)驗(yàn)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(duì)輸入碼元進(jìn)行編碼，然后再通過天線陣發(fā)射，其優(yōu)點(diǎn)是具有高的分集增益和編碼增益、發(fā)射帶寬無損失，缺點(diǎn)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(cè)（ML），接收端采用線性處理技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是不能提供任何實(shí)質(zhì)上的編碼增益。

STFC是MIMO-OFDM的一項(xiàng)新技術(shù)。STFC-OFDM系統(tǒng)將時(shí)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。

6、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(jì)、同步、分集技術(shù)和空時(shí)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(duì)抗頻率選擇性衰落。因此成為4G移動(dòng)通信系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)問題。

參考文獻(xiàn)

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