4G移動通信中的OFDM-MIMO技術研究

　　4G將提供高達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，實現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡、局域網(wǎng)、藍牙、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)所要的速率不同進行動態(tài)調(diào)整。在有限的頻譜資源上實現(xiàn)如此高速率和大容量，需要提高頻譜效率。OFDM技術是可以高效地利用頻譜資源并有效地對抗頻率選擇性衰落。MIMO利用多個天線實現(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中關鍵技術之一，是當今移動通信領域研究的熱點。

　　1、MIMO技術

　　MIMO是無線通信領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）同時發(fā)送、接收信號，如圖1所示，若各發(fā)送、接收天線之間的信道沖激響應獨立，MIMO就可以創(chuàng)造多個并行的空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，傳輸速率必然可以增加。

圖1　MIMO系統(tǒng)框圖

　　由于各發(fā)送天線同時發(fā)送的信號占用同一頻段，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[1]、[2]中已經(jīng)證明，信道容量將會隨天線數(shù)目的增加而線性增加，如圖2所示。由圖2可知，當天線數(shù)目增多時，系統(tǒng)容量和信噪比幾乎成線性關系，同時也證明了MIMO能改善系統(tǒng)性能。

圖2　信道容量與天線根數(shù)之間關系

　　2、OFDM技術

　　OFDM的思想是使用多個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子載波的帶寬，子載波間相互正

　　3、MIMO-OFDM模型

　　MIMO系統(tǒng)可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落，MIMO仍無能為力，現(xiàn)在一般采用均衡技術和OFDM技術來解決。4G需要高的頻譜利用率的技術，但OFDM提高頻譜利用率的能力有限，若結合MIMO技術，可以在不增加帶寬的情況下提高頻譜效率。它利用時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。MIMO-OFDM系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

圖3　MIMO-OFDM系統(tǒng)結構圖

　　4、MIMO-OFDM系統(tǒng)關鍵技術

　　4.1　信道估計

　　信道估計，就是利用信號的確知信息來估計出實際信道的徑數(shù)和徑的系數(shù)，目的是識別每副發(fā)送天線與接收天線之間的信道沖激響應。

　　目前信道估計有兩類：一類是基于訓練序列或?qū)ьl的方法，此類方法在時變信道中，需要周期性地發(fā)送訓練序列，訓練序列的發(fā)送要占用信道容量，從而降低了信道利用率，它的好處是估計誤差小，收斂速度快；另一類是采用盲方法來進行信道辨別，分為全盲和半盲信道估計。全盲信道估計是利用信道的輸出與輸入有關的統(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)，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。半盲是結合盲處理和少量導頻信號或訓練序列，可以克服由碼間干擾和不同信號源干擾引起的對盲處理的限制。

　　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，但全盲算法運算量相對較大，而且收斂速度慢，目前還難以實用化。而半盲算法是對盲算法和基于導頻法的折衷處理，降低了運算復雜度?？梢灶A計，對盲信道估計的研究將成為MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計的熱點。

　　4.2　同步

　　MIMO-OFDM系統(tǒng)對定時和頻偏敏感，因此時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、符號同步和幀同步。

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

　　符號定時的目的是為了找到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?？梢圆捎锰厥獾挠柧毿蛄谢蛴醚h(huán)前綴的相關特性進行符號定時。

　　幀同步是在OFDM符號流中找出幀的開始位置，在幀頭被檢測到的基礎上，接收機根據(jù)幀結構的定義，以不同方式處理一幀中具有不同作用的符號。

4.3　分集技術

　　無線通信的不可靠性主要是由無線衰落信道時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，同時減少多徑衰落對基站和移動臺的影響就顯得很重要。唯一方法是采用抗衰落技術，克服多徑衰落的有效方法是各種分集技術。

　　分集技術目前分為時間分集、頻率分集和空間分集等。時間分集是在時域內(nèi)提供多個信號副本，為獲得好的分集效果，要求發(fā)送冗余信號的若干時隙之間相互獨立。頻率分集就是在不同載波頻率上提供多個信號副本，要求幾個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天線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為保證多個發(fā)送或多個接收信號之間的獨立性，要求各個天線之間距離要足夠大，一般大于若干個波長。

　　每一種分集技術都有它的適用的場合，因此在新一代移動通信系統(tǒng)中，必須考慮多種技術的結合。

　　4.4　空時編碼

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

　　LST的特點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現(xiàn)分集。

　　STTC是由AT&T實驗室的Tarokh博士領導的科研小組提出的，它是利用格形編碼原則，對輸入碼元進行編碼，然后再通過天線陣發(fā)射，其優(yōu)點是具有高的分集增益和編碼增益、發(fā)射帶寬無損

　　STBC支持最大似然檢測（ML），接收端采用線性處理技術，優(yōu)點是譯碼復雜度比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，缺點是不能提供任何實質(zhì)上的編碼增益。

　　STFC是MIMO-OFDM的一項新技術。STFC-OFDM系統(tǒng)將時間、空間和頻率三種分集有效結合在一起，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。

　　5、總結

　　本文介紹了MIMO-OFDM技術中的關鍵技術，如信道估計、同步、分集技術和空時編碼等。由于MOMO和OFDM技術的結合，既能提高分集增益和系統(tǒng)容量，又能增加頻譜利用率，有效對抗頻率選擇性衰落。因此成為4G移動通信系統(tǒng)研究的熱點問題。

　　參考文獻

　　[1]　Teletar.Capacity of multi-antenna Gaussian channe.AT&T-Bell Labs, Internal TechMemo, 1995.

　　[2]　Foschini G J, Cans M J. On limits of wireless communication in a fading environment when using multiple antennas.Wireless Pers Communication,1998,6(3).

　　[3]　Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R.Space-time codes for high data rate wireless communications: performance riterionand code construction[J].IEEE Trans In-form Theory, 1998,44:744-765.

　　[4]　Alamouti S M. A simple transmit diversity technique for wireles communications[J].IEEE J Select Areas Commun, 1998,16:1451-1458.

　　[5]　Tarokh V, Jafarkhani, Calderbank A R. Space-time block codes from orthogonal designs[J ]. IEEE Trans Inform Theory, 1999,45:1456-1467.

　　[6]　Tarokh V, Jafarkhani, Calderbank A R.Space-time block coding for Wireless Communication:Performance Resuits[J]. IEEE J Select Areas Commun,1999,17(3):451-458。