MIMO+OFDM:新一代移動通信核心技術(shù)

任立剛　宋梅　喬強國　宋俊德　朱松儉　郗松楠



　　摘 要 新一代移動通信（beyond 3G/4G）與第三代移動通信系統(tǒng)（3G）相比將會提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，更低的成本。達到高速率低成本的一個技術(shù)前提就是高頻譜效率的技術(shù)，從而可以在有限的頻譜上提供更高的傳輸速率和系統(tǒng)容量，MIMO和OFDM就是這樣的技術(shù)。二者的結(jié)合已經(jīng)成為新一代移動通信技術(shù)研究中的熱點。通過這兩種技術(shù)的優(yōu)勢互補，可以為系統(tǒng)提供高達2~100Mbit/s的傳輸速率，同時也能提高系統(tǒng)容量，降低成本。本文將詳細介紹這兩種技術(shù)，并給出二者結(jié)合的方案。


　　關(guān)鍵詞 移動通信 MIMO技術(shù) OFOM技術(shù)



1 引言


　　新一代移動通信（beyond 3G/4G）將可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達100Mbit/s，甚至更高，支持的業(yè)務(wù)從語音到多媒體業(yè)務(wù)，包括實時的流媒體業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸速率可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)所需的速率不同動態(tài)調(diào)整。新一代移動通信的另一個特點是低成本。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(shù)。MIMO技術(shù)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(shù)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(shù)的潛力，將二者結(jié)合起來可以成為新一代移動通信核心技術(shù)的解決方案，下面詳細介紹這兩種技術(shù)及其二者的結(jié)合方案。


2 MIMO技術(shù)


　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）系統(tǒng)，該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multi-ple-Output）系統(tǒng)和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統(tǒng)。



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(shù)可以提高信道的容量，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(fù)用增益，后者是利用ＭＩＭＯ信道提供的空間分集增益。實現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實驗室的ＢＬＡＳＴ算法、ＺＦ算法、ＭＭＳＥ算法、ＭＬ算法。ＭＬ算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ＺＦ算法簡單容易實現(xiàn)，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是ＢＬＡＳＴ算法。該算法實際上是使用ＺＦ算法加上干擾刪除技術(shù)得出的。目前ＭＩＭＯ技術(shù)領(lǐng)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。


3 OFDM技術(shù)


　�。希疲模停ㄕ�交頻分復(fù)用）技術(shù)實際上是ＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ－Ｃａｒｒｉｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，多載波調(diào)制）的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ＩＣＩ）。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。


結(jié)合簡要介紹ＯＦＤＭ的工作原理，輸入數(shù)據(jù)信元的速率為Ｒ，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，分成Ｍ個并行的子數(shù)據(jù)流，每個子數(shù)據(jù)流的速率為R/M，在每個子數(shù)據(jù)流中的若干個比特分成一組，每組的數(shù)目取決于對應(yīng)子載波上的調(diào)制方式，如ＰＳＫ、ＱＡＭ等。Ｍ個并行的子數(shù)據(jù)信元編碼交織后進行ＩＦＦＴ變換，將頻域信號轉(zhuǎn)換到時域，ＩＦＦＴ塊的輸出是Ｎ個時域的樣點，再將長為Ｌｐ的ＣＰ（循環(huán)前綴）加到Ｎ個樣點前，形成循環(huán)擴展的ＯＦＤＭ信元，因此，實際發(fā)送的ＯＦＤＭ信元的長度為Ｌｐ＋Ｎ，經(jīng)過并/串轉(zhuǎn)換后發(fā)射。接收端接收到的信號是時域信號，此信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后移去ＣＰ，如果ＣＰ長度大于信道的記憶長度時，ＩＳＩ僅僅影響ＣＰ，而不影響有用數(shù)據(jù)，去掉ＣＰ也就去掉了ＩＳＩ的影響。


ＯＦＤＭ技術(shù)之所以越來越受關(guān)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(shù)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(yīng)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(shù)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)。


4 MIMO與OFDM的結(jié)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(shù)，還有一種是利用OFDM。大多數(shù)研究人員認為OFDM技術(shù)是4G的核心技術(shù)，4G需要極高頻譜利用率的技術(shù)，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在OFDM的基礎(chǔ)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(luò)（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(yīng)，來實現(xiàn)完全覆蓋。下面給出MIMO+OFDM的結(jié)合方案。


　　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(fù)進行Ｌ次以后，ＮＬ個M-QAM符號可以被恢復(fù)出來。


5 目前應(yīng)用狀況分析


　　目前MIMO技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域還主要是在固定無線接入，這方面領(lǐng)先的是美國的Raze和Iospan公司。美國Agere系統(tǒng)公司日前開發(fā)成功了最高傳輸速度為162Mbit/s的無線LAN技術(shù)，這種技術(shù)是在收發(fā)兩端使用陣列天線的多路輸入/多路輸出（MIMO）和正交頻分復(fù)用（OFDM），該系統(tǒng)使用3對收發(fā)天線，每對收發(fā)天線可以實現(xiàn)54Mbit/s。這是目前MIMO+OFDM技術(shù)所表現(xiàn)的強大的應(yīng)用潛力。IEEE 802.11a、11g都是以O(shè)FDM作為核心技術(shù)，而IEEE 802.16系列則是以MIMO+OFDM技術(shù)為核心。


　　世界各國和各大電信廠商目前都已經(jīng)開展了新一代移動通信系統(tǒng)的研究，而且由于MIMO和OFDM在提高無線鏈路的傳輸速率和可靠性的巨大潛力，使得這兩種技術(shù)特別是二者的結(jié)合有望成為過渡到4G的潛在技術(shù)。因此這兩種技術(shù)已經(jīng)成為目前4G研究的熱點。


6 結(jié)束語


　　MIMO技術(shù)是具有極高頻譜利用率的技術(shù)，在V-BLAST算法下， 理想情況下可以達到20~40bits/s/Hz，這是目前任何一種技術(shù)所達不到的。另外在各類無線通信系統(tǒng)中，ISI（符號間干擾）一直是影響通信質(zhì)量的重要因素。OFDM技術(shù)能夠有效對抗ISI，同時具有頻譜利用率高，抗多徑衰落性能好，成本偏低等優(yōu)點，因此這二者的結(jié)合是一種必然的趨勢。也必將成為下一代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。



　　任立剛，北京郵電大學(xué)PCN&&CAD中心博士研究生，研究方向為移動數(shù)據(jù)通信，未來移動通信關(guān)鍵技術(shù)。



　　宋 梅，女，北京郵電大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為未來移動通信。


　　喬強國，男，北京郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向為OFDM技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用。


　　宋俊德，男，北京郵電大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為CTI技術(shù)、未來無線移動通信技術(shù)。


　　朱松儉，男，北京郵電大學(xué)電子工程系博士研究生，主要從事第三代移動通信關(guān)鍵技術(shù)方面的研究。


　　郗松楠，女，北京郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向為未來移動通信。




----《中國數(shù)據(jù)通信》