4G中MIMO-OFDM系統(tǒng)的研究
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4G移動通信在描繪高速的數(shù)據(jù)傳輸，提供從語音到多媒體業(yè)務(wù)豐富業(yè)務(wù)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(shù)通過將信道分解為多個正交子信道的方法實現(xiàn)了頻率選擇性多徑衰落信道向平坦衰落信道的轉(zhuǎn)化，有效地減小了多徑衰落的影響。而MIMO技術(shù)能在空間中產(chǎn)生多個獨立的并行信道同時傳輸數(shù)據(jù)，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(shù)的有效結(jié)合已成為新一代移動通信的必然趨勢。
2、MIMO-OFDM技術(shù)
2.1 OFDM技術(shù)
正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用將頻帶分為若干個不重疊的子頻帶來傳輸并行數(shù)據(jù)流，子信道之間要保留保護(hù)頻帶。而OFDM技術(shù)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(diào)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?？梢酝ㄟ^IFFT（快速傅立葉反變換）和FFT（快速傅立葉變換）分別來實現(xiàn)OFDM的調(diào)制和解調(diào)，其工作原理圖如圖1所示。
圖
OFDM技術(shù)之所以越來越受關(guān)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(shù)據(jù)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(hù)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(shù)使系統(tǒng)達(dá)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(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）OFDM技術(shù)基于離散傅立葉變換（DFT），可采用IFFT和FFT來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，便于DSP實現(xiàn)。（5）無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對稱性，即下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，因此無論從用戶高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)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(shù)據(jù)傳輸，而OFDM系統(tǒng)容易通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。
當(dāng)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(dǎo)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(diào)制的輸出信號由多個子信道上的信號疊加而成，當(dāng)這些信號的相位一致時，輸出信號的瞬時功率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均功率。高峰均比對發(fā)射機內(nèi)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(shù)
多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)是第三代和未來移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、大系統(tǒng)容量，提高傳輸質(zhì)量的重要技術(shù)。在當(dāng)前第三代移動通信系統(tǒng)中，下行鏈路的容量構(gòu)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(shù)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(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 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(jié)合的必要性
經(jīng)研究表明MIMO和OFDM技術(shù)各有利弊。OFDM技術(shù)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(fù)用技術(shù)在理論上可無限提高系統(tǒng)容量，利用空間分集技術(shù)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(jié)合起來。OFDM與MIMO技術(shù)結(jié)合構(gòu)成的MIMO-OFDM系統(tǒng)既可以達(dá)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(lǐng)域的核心技術(shù)。
3、MIMO-OFDM系統(tǒng)模型及其關(guān)鍵技術(shù)
3.1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型
MIMO-OFDM系統(tǒng)模型的發(fā)射端原理圖如圖3所示。即發(fā)送比特流經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后形成若干路并行比特流，各路比特流都分別經(jīng)過編碼、交織后進(jìn)行相應(yīng)的星座圖映射（QAM，QPSK），隨后插入抗信道間干擾的保護(hù)間隔，然后進(jìn)行OFDM調(diào)制（IFFT），再加上抗時延擴展的循環(huán)前綴（CP），最后由相應(yīng)的天線發(fā)射出去。
圖3 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型發(fā)射端原理圖
MIMO-OFDM系統(tǒng)模型的接收端原理圖如圖4所示。即各個接收天線收到相應(yīng)的OFDM符號后，先進(jìn)行時頻同步處理，然后去掉相應(yīng)的CP，接著進(jìn)行OFDM解調(diào)（FFT），最后根據(jù)信道估計的結(jié)果進(jìn)行檢測解碼，恢復(fù)出接收比特流。
圖4 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型接收端原理圖
3.2 MIMO-OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
要構(gòu)建MIMO-OFDM系統(tǒng)需要實現(xiàn)諸如同步、空時處理技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制和編碼、信道估計等關(guān)鍵技術(shù)。
1.同步技術(shù)
同步是傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠恢復(fù)的基礎(chǔ)，由于MIMO-OFDM系統(tǒng)對頻率偏差非常敏感，因此頻率同步尤為重要，除此之外還包括：符號（幀）定時同步、采樣時鐘同步。總地來講，同步可以在時域進(jìn)行，也可以在頻域進(jìn)行，一般情況下在時域進(jìn)行同步的粗略估計，在頻域進(jìn)行同步的細(xì)估計。根據(jù)是否利用輔助數(shù)據(jù)，同步估計的算法分為：基于訓(xùn)練序列/導(dǎo)頻的算法，
2.空時處理技術(shù)
空間處理技術(shù)包括空間復(fù)用技術(shù)和空時編碼技術(shù)兩部分。典型的空間復(fù)用技術(shù)是貝爾實驗室空時分層結(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坦衰落信道的V-BLAST結(jié)構(gòu)，它是純粹的MIMO多路傳輸，可獲得最大速率?？諘r編碼技術(shù)（STC）在不同天線所發(fā)送的信號中引入時間和空間的相關(guān)性，從而在不犧牲帶寬的情況下，提供不編碼系統(tǒng)所沒有的分集增益和編碼增益?？諘r編碼做到了編碼、調(diào)制和空間分集的完美結(jié)合，經(jīng)典的空時編碼包括：空時格碼（STTC，Space-Time Trellis Code）和空時分組碼（STBC，Space-Time Block Code）?？諘r格碼可以達(dá)到滿分集增益，抗衰落性能比較好，而空時分組碼基于正交性的設(shè)計，在獲得更大的分集增益的同時，也降低了譯碼的復(fù)雜度，因此STBC得到了廣泛的應(yīng)用。
3.自適應(yīng)調(diào)制和編碼技術(shù)
自適應(yīng)調(diào)制和編碼（AMC）根據(jù)信道的情況確定當(dāng)前信道的容量，再根據(jù)容量確定合適的編碼調(diào)制方式等，以便最大限度地發(fā)送信息，實現(xiàn)比較高的速率。AMC能提供可變化的調(diào)制編碼方案（共七級調(diào)制方案）以適應(yīng)每一個用戶的信道質(zhì)量。自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)主要包括RCPT（Rate Compatible Puncturing Turbo codes）和高階調(diào)制（MPSK & M-QAM）的結(jié)合、H-ARQ和MIMO等。AMC對測量誤差和時延比較敏感是面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。
4.信道估計技術(shù)
多徑性和時變性是無線信道的兩大特點，并且當(dāng)系統(tǒng)采用空時編碼時，接收端在準(zhǔn)確知道信道特性的情況下才能進(jìn)行有效的解碼，因此準(zhǔn)確的信道估計對無線系統(tǒng)尤為重要。根據(jù)是否利用導(dǎo)頻信息，MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計算法分為：基于訓(xùn)練序列/導(dǎo)頻的信道估計算法，盲信道估計算法和半盲信道估計算法。所有的算法都是基于某種準(zhǔn)則的，其中最常用的準(zhǔn)則有：最小二乘（LS）準(zhǔn)則和最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則。
●基于導(dǎo)頻的信道估計：通過在發(fā)送的OFDM符號中插入導(dǎo)頻（塊狀導(dǎo)頻、梳狀導(dǎo)頻）信號，接收端根據(jù)導(dǎo)頻位置處的接收信號估計出導(dǎo)頻位置處信道頻率響應(yīng)，然后再根據(jù)內(nèi)插算法計算出整個信道的頻率響應(yīng)。典型的算法有：最小二乘（LS）算法，線性最小均方誤差（LMMSE）算法和最大似然（ML）算法。此類方法估計誤差小，收斂速度快，對該算法的研究最成熟，但由于要發(fā)送導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列，需占用一定的系統(tǒng)資源。
●盲信道估計：利用信道的統(tǒng)計信息諸如循環(huán)平穩(wěn)特性等進(jìn)行信道估計。由于無需傳輸導(dǎo)頻信號和訓(xùn)練序列，從而節(jié)約了開銷，提高了系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)傳輸效率，但此類算法處理數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜，收斂速度慢，在實際中很少使用。
●半盲信道估計：它使用盡量少的導(dǎo)頻信號或訓(xùn)練序列來確定盲信道估計算法所需的初始值，然后利用盲估計算法進(jìn)行跟蹤、優(yōu)化，最后獲得信道參數(shù)。該算法是導(dǎo)頻輔助算法和盲估計算法之間的一個折衷。半盲估計算法降低了盲估計算法的運算復(fù)雜度，并加快了其收斂速度，預(yù)計對半盲估計算法的研究將成為未來研究的重點。
4、結(jié)束語
MIMO和OFDM技術(shù)結(jié)合的系統(tǒng)做到了揚長避短，既有效對抗了MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落，又提高了OFDM系統(tǒng)中的系統(tǒng)容量和頻譜利用率，因此，MIMO-OFDM系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)必將成為第四代移動通信領(lǐng)域研究的熱點和重點。
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