MIMO-OFDM系統(tǒng)原理及其關(guān)鍵技術(shù)

   
　　摘 要

介紹了第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的MIMO-OFDM技術(shù)，闡述了OFDM、MIMO技術(shù)及MIMO-OFDM系統(tǒng)的基本原理與特點(diǎn)，并介紹了MIMO空時(shí)信號處理技術(shù)、MIMO OFDM同步、信道估計(jì)、信道編碼以及自適應(yīng)技術(shù)。

引言

未來的寬帶無線通信系統(tǒng)，將在高穩(wěn)定性和高數(shù)據(jù)傳輸速率的前提下，滿足從語音到多媒體的多種綜合業(yè)務(wù)需求。而要在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)內(nèi)容的快速傳輸，需要頻譜效率極高的技術(shù)。MIMO技術(shù)充分開發(fā)空間資源，利用多個(gè)天線實(shí)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（正交頻分復(fù)用）技術(shù)是多載波窄帶傳輸?shù)囊环N，其子載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。二者的有效結(jié)合可以克服多徑效應(yīng)和頻率選擇性衰落帶來的不良影響，實(shí)現(xiàn)信號傳輸?shù)母叨瓤煽啃�，還可以增加系統(tǒng)容量，提高頻譜利用率，是第四代移動(dòng)通信的熱點(diǎn)技術(shù)。

OFDM技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)

無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成多個(gè)正交子信道，然后將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成多個(gè)并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)信道的子載波上進(jìn)行窄帶傳輸。

每個(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道可以看成平坦性衰落，從而可以消除信道波形間的干擾。由于OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，OFDM系統(tǒng)采用正交方法來區(qū)分不同子載波，子載波間的頻譜可以相互重疊，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又極大地提高了頻譜利用率。如圖1可見OFDM的正交性。

圖1 OFDM信號頻譜

由于OFDM系統(tǒng)中有大量載波，所以在實(shí)際應(yīng)用中不可能像傳統(tǒng)的處理方法一樣，使用幾十個(gè)甚至幾百個(gè)振蕩器和鎖相環(huán)進(jìn)行相干解調(diào)。因此，Weinstein提出了一種用離散傅里葉變換實(shí)現(xiàn)OFDM的方法。

設(shè)OFDM信號發(fā)射周期為［0，T］,在一個(gè)周期內(nèi)傳輸?shù)腘個(gè)符號為(D0，D1，…，DN-1)。第k個(gè)符號Dk調(diào)制第k個(gè)載波fk，所以合成的OFDM信號為:

由式⑤可見，以fs對C(t)采樣所得的N個(gè)樣值(C0，C1，…，CN-1)剛好為(D0，D1，…，DN-1)的N點(diǎn)反向離散傅里葉變換(IDFT)。因此OFDM系統(tǒng)可以這樣實(shí)現(xiàn)：在發(fā)射端，先由(D0，D1，…，DN-1)的IDFT求得(C0，C1，…，CN-1)，再經(jīng)過低通濾波器即得所需的OFDM信號C(t);在接收端，先對C(t)采樣得到(C0，C1，…，CN-1)，再對(C0，C1，…，CN-1)求DFT，即得(D0，D1，…，DN-1)。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用DFT的快速算法FFT來實(shí)現(xiàn)，采用易于實(shí)現(xiàn)的FFT和IFFT技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，而且容易利用DSP電路簡單實(shí)現(xiàn)，大大降低了OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜性。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，許多DSP芯片的運(yùn)算能力越來越快，顯著改善了系統(tǒng)的性能，更進(jìn)一步推動(dòng)了OFDM技術(shù)的發(fā)展。目前，OFDM技術(shù)已被普遍認(rèn)為是新一代無線通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。

盡管OFDM有著種種優(yōu)勢，但是對于高速無線通信時(shí)代，單純的OFDM系統(tǒng)傳輸容量仍無法大幅提高，因此，MIMO與OFDM技術(shù)的結(jié)合成為一種優(yōu)化組合。

MIMO原理及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)

MIMO技術(shù)是針對多徑無線信道來說的，是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，從而提高數(shù)據(jù)速率、減少誤比特率，改善無線信號傳送質(zhì)量。如圖2所示，MIMO系統(tǒng)同時(shí)利用信道編碼和多天線技術(shù)，信號S(t)經(jīng)過空時(shí)編碼形成N個(gè)發(fā)射子流Wk(t)，（k=0，1，……，N-1）。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間傳輸后由M個(gè)接收天線接收。MIMO接收機(jī)通過空時(shí)解碼處理這些子數(shù)據(jù)流，對其進(jìn)行區(qū)分和解碼，從而實(shí)現(xiàn)最佳的信號處理。MIMO系統(tǒng)正是依靠這種同時(shí)使用空域和時(shí)域分集的方法來降低信道誤碼率，提高無線鏈路的可靠性。

圖2 MIMO系統(tǒng)信道模型

另一方面，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)射時(shí)，只占用同一傳輸信道，并不會增加使用帶寬。在自由空間里，MIMO系統(tǒng)占用比普通天線系統(tǒng)更多的傳輸空間，用來在各發(fā)射和接收天線間構(gòu)筑多條相互獨(dú)立的通道，產(chǎn)生多個(gè)并行空間信道，并通過這些并行的空間信道獨(dú)立地傳輸信息，達(dá)到了空間復(fù)用的目的，以此方式來提高系統(tǒng)的傳輸容量。

對于天線數(shù)與信道容量的關(guān)系，我們可以假設(shè)在發(fā)射端，各天線發(fā)射獨(dú)立的等功率信號，而且各信號滿足Rayleigh（瑞利）分布，根據(jù)MIMO系統(tǒng)的信道傳輸特性和香農(nóng)信道容量計(jì)算方法，推導(dǎo)出平衰落MIMO系統(tǒng)信道容量近似表達(dá)式為:⑥。

其中B為信號帶寬，SNR為接收端平均信噪比，min(N,M)為發(fā)射天線數(shù)量N和接收天線數(shù)量M中的最小者。式⑥表明，在同等傳輸帶寬，而且接收端信噪比不變化的情況下（基本取決于外界條件和發(fā)射功率的變化），多入多出系統(tǒng)的信道容量隨最小天線數(shù)目的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)量的對數(shù)增加而增加。相對而言，在不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發(fā)射功率的情況下，利用MIMO技術(shù)可以成倍地提高系統(tǒng)傳輸容量，大大提高了頻譜利用率，這是無線通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。

MIMO-OFDM系統(tǒng)

3.1 MIMO、OFDM系統(tǒng)組合的必要性

在高速寬帶無線通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落和帶寬效率是信號傳輸過程中必須考慮的幾個(gè)關(guān)鍵問題。多徑效應(yīng)會引起信號的衰落，因而被視為有害因素。然而MIMO系統(tǒng)是針對多徑無線信道而產(chǎn)生的，在一定程度上可以利用傳播過程中產(chǎn)生的多徑分量，多徑效應(yīng)對其影響并不大，反而可以作為一個(gè)有利因素加以使用。但MIMO對于頻率選擇性衰落仍無法避免，而解決頻率選擇性衰落問題恰恰正是OFDM的一個(gè)長處。

OFDM技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種多載波窄帶調(diào)制，可以將寬帶信道轉(zhuǎn)化成若干個(gè)平坦的窄帶子信道，每個(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，所以每個(gè)子信道上的頻率選擇性衰落可以看作是平坦性衰落。 OFDM被認(rèn)為是第四代移動(dòng)通信中的核心技術(shù)，然而4G需要高的頻譜利用技術(shù)和高速傳輸系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)傳輸速率，使用OFDM技術(shù)的無線通信網(wǎng)就必須增加載波的數(shù)量，而這種方法會造成系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，并增大系統(tǒng)的占用帶寬。而MIMO多天線技術(shù)能在不增加帶寬的情況下，在每一個(gè)窄帶平坦子信道上獲得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜效率，是一種利用空間資源換取頻譜資源的技術(shù)。

因此MIMO-OFDM系統(tǒng)的提出是無線通信領(lǐng)域的重大突破，其頻譜利用率高、信號傳輸穩(wěn)定、高傳輸速率等基本特性能夠滿足下一代無線傳輸網(wǎng)發(fā)展要求。MIMO-OFDM系統(tǒng)內(nèi)組合了多輸入和多輸出天線和正交頻分復(fù)用調(diào)制兩大關(guān)鍵技術(shù)。這種系統(tǒng)通過空間復(fù)用技術(shù)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又可以通過空時(shí)分集和正交頻分復(fù)用達(dá)到很強(qiáng)的可靠性和頻譜利用率。

3.2 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型

在典型的MIMO-OFDM系統(tǒng)模型中，發(fā)射端（N個(gè)發(fā)射天線）工作流程如下：輸入的數(shù)據(jù)符號流經(jīng)串/并電路分成N個(gè)子符號流，采用信道編碼技術(shù)對每個(gè)符號流進(jìn)行無失真壓縮并加入冗余信息，調(diào)制器對編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行空時(shí)調(diào)制；調(diào)制后的信號在IFFT電路中實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制處理，完成將頻域數(shù)據(jù)變換為時(shí)域數(shù)據(jù)的過程，然后輸出的每個(gè)OFDM符號前加一個(gè)循環(huán)前綴以減弱信道延遲擴(kuò)展產(chǎn)生的影響，每個(gè)時(shí)隙前加前綴用以定時(shí)，這些處理過的OFDM信號流相互平行地傳輸，每一個(gè)信號流對應(yīng)一個(gè)指定的發(fā)射天線，并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換及射頻模塊處理后發(fā)射出去。

圖3 帶自適應(yīng)方案的MIMO-OFDM系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號處理過程，首先通過接收端的M根接收天線接收信號，這些信號經(jīng)過放大、變頻、濾波等射頻處理后，得到基帶模擬接收信號;并分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進(jìn)行同步，在去循環(huán)前綴后通過FFT解調(diào)剩下的OFDM符號;此時(shí)，時(shí)延數(shù)據(jù)變換成為頻域數(shù)據(jù)，接下來在頻域內(nèi)，從解調(diào)后的OFDM符號中提取出頻率導(dǎo)頻，然后通過精細(xì)的頻率同步和定時(shí)，準(zhǔn)確地提取出導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)符號，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)還原。

如上說明，IFFT/FFT和循環(huán)前綴的添加和去除過程都在每一個(gè)獨(dú)立的發(fā)送和接收模塊內(nèi)完成，而MIMO的空時(shí)編碼和空間復(fù)用處理技術(shù)也可以應(yīng)用于OFDM的每個(gè)子載波上（對應(yīng)平衰落信道）�？偠�言之，在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，增加了頻域的分集和復(fù)用作用，帶來了更大的系統(tǒng)增益和系統(tǒng)容量。

MIMO-OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 MIMO空時(shí)信號處理技術(shù)

空時(shí)信號處理是隨著MIMO技術(shù)而誕生的一個(gè)嶄新的概念，與傳統(tǒng)信號處理方式的不同之處在于其同時(shí)從時(shí)間和空間兩方面研究信號的處理問題。空時(shí)信號處理包括發(fā)射端的信令方案和接收端的檢測算法。從信令方案的角度看，MIMO可以大致分為空時(shí)編碼（STC:Space Time Coding）和空間復(fù)用（SM:Spatial Multiplexing）兩種。

（1）空時(shí)編碼技術(shù)

空時(shí)編碼技術(shù)在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號錯(cuò)誤率，通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度，從而使信號在接收端獲得最大的分集增益和編碼增益;但它的缺點(diǎn)是無法提高數(shù)據(jù)傳輸速率。一般而言，空時(shí)編碼包括空時(shí)格碼(STTC: Space-Time Trellis Code)和空時(shí)分組碼(STBC:Space-Time Block Code)�？諘r(shí)格碼可以實(shí)現(xiàn)滿分集增益，并且具有相應(yīng)的編碼增益，抗衰落性能比較好�？諘r(shí)分組碼也可以獲得滿分集增益，而且這種技術(shù)只需在接收端進(jìn)行簡單的線性處理，大大簡化了接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。

（2）空間復(fù)用技術(shù)

空間復(fù)用是通過不同的天線盡可能多地在空間信道上傳輸相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)。MIMO技術(shù)的空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多個(gè)天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一信道上使用多個(gè)數(shù)據(jù)通道（MIMO子信道）發(fā)射信號，從而使得信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。這種信道容量的增加不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發(fā)射功率，因此是增加信道和系統(tǒng)容量的一種非常有效的手段。

目前，該技術(shù)主要的解碼方法有ZF、MMSE、ML、BLAST等。典型的空間復(fù)用技術(shù)是貝爾實(shí)驗(yàn)室的空時(shí)分層結(jié)構(gòu)(BLAST)，包括V-BLAST, H-BLAST和D-BALST三種。其中最基本的形式是針對平衰落信道的V-BLAST結(jié)構(gòu)，它沒有得到空間分集，而是純粹的MIMO多路傳輸，可獲得最大速率或流量增益。

空間復(fù)用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益。將空間復(fù)用和空時(shí)編碼相結(jié)合，能在保證每個(gè)數(shù)據(jù)流獲得最小分集增益的條件下，最大化平均數(shù)據(jù)率，從而得到高頻譜效率和傳輸質(zhì)量的良好折中。目前將空間復(fù)用和空時(shí)編碼相結(jié)合的方案主要有兩種，即鏈接編碼和使用塊碼映射的自適應(yīng)MIMO系統(tǒng)。

4.2 同步

對于無線通信來說，無線信道存在時(shí)變性，在傳輸中存在的頻率偏移會使MIMO-OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的損害。

由于發(fā)送端和接受端之間的采樣時(shí)鐘有偏差，每個(gè)信號樣本都一定程度地偏離它正確的采樣時(shí)間，此偏差隨樣本數(shù)量的增加而線性增大，盡管時(shí)間偏差會破壞子載波之間的正交性，但是通常情況下可以忽略不計(jì)。當(dāng)采樣錯(cuò)誤可以被校正時(shí)，就可以用內(nèi)插濾波器來控制正確的時(shí)間進(jìn)行采樣。

相位噪聲有兩個(gè)基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個(gè)隨機(jī)相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響;其次也會引入一定量的信道間干擾，因?yàn)橄辔徽`差導(dǎo)致子載波的間隔不再是精確的1/Ｔ了。

為解決MIMO-OFDM的同步問題，出現(xiàn)了多種同步算法，主要是針對循環(huán)擴(kuò)展和特殊的訓(xùn)練序列以及導(dǎo)頻信號來進(jìn)行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計(jì)算法，其中ESPRIT算法雖然估計(jì)精度高，但計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算量大;而ML算法利用OFDM信號的循環(huán)前綴，可以有效地對MIMO-OFDM信號進(jìn)行頻偏和時(shí)偏的聯(lián)合估計(jì)，而且與ESPRIT算法相比，其計(jì)算量要小得多。目前，對MIMO-OFDM技術(shù)的同步算法研究得比較多，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)和研究，利用各種算法融合進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)才是可行的。

4.3 信道估計(jì)

在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，發(fā)送端編碼和接收端信號檢測都需要真實(shí)準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性將直接影響著MIMO-OFDM系統(tǒng)的整體性能。然而對于MIMO-OFDM系統(tǒng)，不同的信號同時(shí)從不同的天線發(fā)射出去，對于每一個(gè)天線、每一個(gè)子載波都會對應(yīng)很多個(gè)信道參數(shù)，信道參數(shù)太多，對信道估計(jì)帶來了較大的困難。但對于不同的子載波，同一空分信道的參數(shù)是相關(guān)的，我們可以利用這一相關(guān)特性得到參數(shù)的估計(jì)方法。

4.4 信道糾錯(cuò)編碼

糾錯(cuò)編碼技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字通信的作用毋庸置疑，作為改善數(shù)字信道通信可靠性的一種有效手段，低復(fù)雜度、高性能的編碼方案明顯可以大大提高系統(tǒng)的性能。在數(shù)字通信領(lǐng)域，比較常用的編碼方法主要有卷積碼、分組碼、Turbo碼和LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)）碼。而其中最受人們關(guān)注、理論最成熟的是Turbo碼和LDPC碼。

Turbo碼可獲得比傳統(tǒng)級連碼更大的編碼增益，被認(rèn)為是大編碼存儲卷積碼或傳統(tǒng)級連碼的替代方案。但是，對于使用Turbo的系統(tǒng)來說，其解碼的復(fù)雜度遠(yuǎn)高于編碼的復(fù)雜度，無線通信系統(tǒng)要求的是一個(gè)復(fù)雜度很低的終端，以盡量節(jié)省系統(tǒng)成本。于是，解碼復(fù)雜度低的LDPC編解碼技術(shù)開始大量運(yùn)用。

LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)碼）是一類可以用非常稀疏的Parity-check（奇偶校驗(yàn)矩陣）或Bi-Partite graph(二分圖)定義的線性分組糾錯(cuò)碼。其特點(diǎn)是：性能優(yōu)于Turbo碼，具有較大的靈活性和較低的差錯(cuò)平底特性（error floors）；描述簡單，對嚴(yán)格理論分析具有可驗(yàn)證性；譯碼復(fù)雜度低于turbo碼，且可實(shí)現(xiàn)完全的并行操作；硬件復(fù)雜度低，因而適合硬件實(shí)現(xiàn)；吞吐量大，極具高速譯碼潛力。因此，結(jié)合LDPC的無線通信系統(tǒng)必將獲得更好的性能。

4.5 自適應(yīng)技術(shù)

MIMO-OFDM系統(tǒng)可以將無線通信的信號處理從時(shí)頻分集擴(kuò)展為空時(shí)頻分集，進(jìn)一步分割信道為空時(shí)頻正交子信道。這樣，就需要根據(jù)各個(gè)子信道的實(shí)際傳輸情況靈活地分配發(fā)送功率和信息比特，以最大限度地提高系統(tǒng)容量。而且由于無線信道的頻率選擇性和時(shí)變性，也需要實(shí)時(shí)地對信道進(jìn)行檢測，以便更加有效地利用無線資源。

自適應(yīng)傳輸?shù)幕�本思想是根�?jù)傳輸信道的實(shí)際情況，改變發(fā)射功率的水平、每個(gè)子信道的符號傳輸速率、QAM星座大小、編碼等參數(shù)或這些參數(shù)的組合以維持恒定的誤碼率。對于同一MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的所有子載波來說，其誤碼率主要由經(jīng)歷衰落最嚴(yán)重的子信道決定。在頻率選擇性衰落信道中，隨著平均信噪比的增加，系統(tǒng)的誤碼率下降十分緩慢�？梢詫Σ煌�的子信道選用不同的無線傳輸參數(shù)，即采用不同的發(fā)射功率、傳輸速率、調(diào)制和編碼參數(shù)，使信噪比不同的每個(gè)子信道得到其最佳的一一對應(yīng)的傳輸方案。簡單地說，就是在不犧牲誤碼率的情況下，通過傳輸質(zhì)量好的子信道采用高速傳輸，而在質(zhì)量不好的子信道以降低傳輸速率等方式來提供較高的頻譜使用效率。

自適應(yīng)技術(shù)大大減少了對均衡和交織的依賴，提升了通信系統(tǒng)的性能。

小結(jié)

將MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)優(yōu)化結(jié)合，能夠充分利用這兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，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。在先進(jìn)的編碼和自適應(yīng)技術(shù)的支持下，MIMO和OFDM的結(jié)合應(yīng)用，將成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

參考文獻(xiàn)
　　[1]Theodore SRappaport 《無線通信原理與應(yīng)用》 蔡濤，李旭，杜振民譯．北京：電子工業(yè)出版社，1999
　　[2]佟學(xué)儉，羅濤 《OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用》人民郵電出版社，2003
　　[3]L. Shao and S. Roy, 《Rate-one space-frequency block codes with maximum diversity for MIMO-OFDM》 IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 4, no. 4, pp.1674-1687, July 2005
　　[4]H. sampath et al., 《A fouth-generation MIMO-OFDM broadband wireless system: design, performance and field trial results》 IEEE Commun. Mag., vol. 40, pp. 143-149, Sep. 2002
　　[5]E. Telatar, “Capacity of multi-antenna Gaussian channels,” AT&T-Bell Labs Internal Tech. Memo., June 1995