4G無線通信中的MIMO-OFDM技術

摘要

第四代移動通信提供高的數(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。兩者的結合已經(jīng)成為第四代移動通信技術研究中的熱點。通過這兩種技術的優(yōu)勢互補，可以為系統(tǒng)提供高傳輸速率，同時也能提高系統(tǒng)容量,降低成本。文中詳細介紹了這兩種技術及信道估計。

一、引言

目前沒有第四代移動通信的確切定義，但比較認同的解釋是：“第四代移動通信的概念可稱為寬帶接入和分布網(wǎng)絡,具有非對稱的和超過2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動寬帶系統(tǒng)、互操作的廣播網(wǎng)絡和衛(wèi)星系統(tǒng)等。此外，第四代移動通信系統(tǒng)將是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達100Mbit/s甚至更高，也是寬帶接入IP系統(tǒng)”。簡單而言，4G是一種超高速無線網(wǎng)絡，一種不需要電纜的信息超級高速公路。這樣在有限的頻譜資源上實現(xiàn)高速率和大容量,需要頻譜效率極高的技術。MIMO技術充分開發(fā)空間資源,利用多個天線實現(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)這兩種技術的潛力,將二者結合起來可以成為新一代移動通信核心技術的解決方案，下面詳細介紹這兩種技術及其二者的結合方案。

二、MIMO技術

MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該技術最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。MIMO技術是指在發(fā)射端和接收端分別設置多副發(fā)射天線和接收天線，其出發(fā)點是將多發(fā)送天線與多接收天線相結合以改善每個用戶的通信質(zhì)量（如差錯率）或提高通信效率（如數(shù)據(jù)速率）。MIMO技術實質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復用增益和空間分集增益，空間復用技術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，然而對于MIMO來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用，MIMO技術的關鍵是能夠?qū)�傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑衰落影響因素變成對用戶通信性能有利的增強因素，MIMO技術有效地利用隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務傳輸速率，因此它能夠在不增加所占用的信號帶寬的前提下使無線通信的性能改善幾個數(shù)量級。假定發(fā)送端有N個發(fā)送天線，有M個接收天線，在收發(fā)天線之間形成M×N信道矩陣H，在某一時刻t，信道矩陣為：

其中H的元素是任意一對收發(fā)天線之間的增益。對于信道矩陣參數(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ρ，與發(fā)送天線的數(shù)量M無關；接收端的噪聲用N×1向量n表示，是獨立零均值高斯復變量，各個接收天線的噪聲功率均為σ²；發(fā)送功率平均分配到每一個發(fā)送天線上，則容量公式為：

令M不變，增大N，使得，這時可以得到容量的近似表達式：

從上式可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，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技術可以成倍提高信道的容量，同時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技術領域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼�？諘r碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現(xiàn)一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。

圖1 MIMO系統(tǒng)框圖

三、OFDM技術

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

但是要注意，在發(fā)送端實際發(fā)送1個OFDM時域序列的長度為Nd+Nc，Nd是一個OFDM符號能夠傳送的頻域符號數(shù)，加在前面長度為Nc的序列稱為循環(huán)前綴（CyclicPrefix）或防護間隔（GuardInterval），利用它使得前—OFDM符號對當前OFDM符號的干擾只影響到循環(huán)前綴部分，不會對當前OFDM符號造成影響，這就有效地消除了OFDM符號之間的干擾（ISI）。引入循環(huán)前綴會使系統(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符號間干擾所必須付出的代價。OFDM技術之所以越來越受關注，是因為OFDM有很多獨特的優(yōu)點：

（1）頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中很重要。OFDM信號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，由于OFDM系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分散到許多個子載波上，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，若再通過采用加循環(huán)前綴作為保護間隔的方法，甚至可以完全消除符號間干擾。

（3）采用動態(tài)子載波分配技術能使系統(tǒng)達到最大比特率。通過選取各子信道，每個符號的比特數(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）通過各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強的抗衰落能力。OFDM技術本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡器。但通過將各個信道聯(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來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用DSP實現(xiàn)。

圖2 OFDM系統(tǒng)框圖

四、MIMO與OFDM的結合

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MIMO可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)依然是無能為力。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，還有一種是利用OFDM。大多數(shù)研究人員認為OFDM技術是4G的核心技術，4G需要極高頻譜利用率的技術，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在OFDM的基礎上合理開發(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間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡（SFN）可以用于寬帶OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來實現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機組成的發(fā)射機陣列消除陰影效應，來實現(xiàn)完全覆蓋。下面給出MIMO-OFDM的結合方案。

圖3 MIMO-OFDM系統(tǒng)框圖

在本方案中的數(shù)據(jù)進行兩次串并轉(zhuǎn)換，首先將數(shù)據(jù)分成N個并行數(shù)據(jù)流，將這N個數(shù)據(jù)流中的第n（n∈[1，N]）個數(shù)據(jù)流進行第二次串并轉(zhuǎn)換成L個并行數(shù)據(jù)流，分別對應L個子載波，將這L個并行數(shù)據(jù)流進行IFFT變換，將信號從頻域轉(zhuǎn)換到時域，然后從第n（n∈[1，N]）個天線上發(fā)送出去。這樣共有NL個M-QAM符號被發(fā)送。整個MIMO系統(tǒng)假定具有N個發(fā)送天線，M個接收天線。在接收端第m（m∈[1，M]）個天線接收到的第l個子載波的接收信號為：

其中Hm,n,l是第l個子載波頻率上的從第n個發(fā)送天線到第m個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是第個子載波頻率上的從第n個發(fā)送天線發(fā)送的符號，ηm,l是第l個子載波頻率上的從第m個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個子載波頻率上的N個符號可以通過V-BLAST算法進行解譯碼，重復進行L次以后，NL個M-QAM符號可以被恢復。

4.1MIMO-OFDM的信道估計

在一個傳輸分集的OFDM系統(tǒng)中，只有在收端有很好的信道信息時，空時碼才能進行有效的解碼。估計信道參數(shù)的難度在于，對于每一個天線每一個子載波都對應多個信道參數(shù)。但好在對于不同的子載波，同一空分信道的參數(shù)是相關的。根據(jù)這一相關性，可以得到參數(shù)的估計方法。MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計方法一般有三種：非盲信道估計、盲信道估計和半盲信道估計。下面分別對這三種信道估計方法進行簡單介紹。

4.1.1非盲信道估計

非盲信道估計是通過在發(fā)送端發(fā)送導頻信號或訓練序列，接收端根據(jù)所接收的信號估計出導頻處或訓練序列處的信道參數(shù)，然后根據(jù)導頻或訓練序列處的信道參數(shù)得到數(shù)據(jù)信號處的信道參數(shù)。當信道為時變信道時，即使是慢時變信道，也必須周期性的發(fā)射訓練序列，以便及時更新信道估計。這類方法的好處是估計誤差小，收斂速度快，不足是由于發(fā)送導頻或訓練序列而浪費了一定的系統(tǒng)資源。

4.1.2盲信道估計

盲信道估計是利用信道的輸出以及與輸入有關的統(tǒng)計信息，在無需知道導頻或訓練序列的情況下估計信道參數(shù)。其好處是傳輸效率高，不足是魯棒性相對較差、收斂速度慢，而且運算量較大。

4.1.3半盲信道估計

半盲信道估計是在盲信道估計的基礎上發(fā)展起來的，它利用盡量少的導頻信號或訓練序列來確定盲信道估計算法所需的初始值，然后利用盲信道估計算法進行跟蹤、優(yōu)化，獲得信道參數(shù)。由于盲信道算法運算復雜度較高，目前還存在很多問題，難以實用化。而半盲信道估計算法有望在非盲算法和盲算法的基礎上進行折衷處理，從而降低運算復雜度。可以預計，對盲及半盲信道估計的研究將成為MIMO-OFDM信道估計研究的熱點。

五、結束語

在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中存在兩個最嚴峻的挑戰(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技術能夠在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道同時傳輸多路數(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兩種技術相結合就能達到兩種效果：一種是實現(xiàn)很高的傳輸速率，另一種是通過分集實現(xiàn)很強的可靠性，同時，在MIMO-OFDM中加入合適的數(shù)字信號處理的算法能更好地增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MIMO-FDM技術是OFDM與MIMO技術結合形成的新技術，通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實現(xiàn)空間分集，提高了信號質(zhì)量，充分利用了時間、頻率和空間3種分集技術，大大增加了無線系統(tǒng)對噪聲、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，可以預見，它將是下一代網(wǎng)絡采用的核心技術。