4G中MIMO-OFDM系統的研究
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4G移動(dòng)通信在描繪高速的數據傳輸，提供從語(yǔ)音到多媒體業(yè)務(wù)豐富業(yè)務(wù)美好前景的同時(shí)，也面臨著(zhù)兩大挑戰：多徑衰落和帶寬利用率。OFDM技術(shù)通過(guò)將信道分解為多個(gè)正交子信道的方法實(shí)現了頻率選擇性多徑衰落信道向平坦衰落信道的轉化，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(gè)獨立的并行信道同時(shí)傳輸數據，在不增加系統帶寬的情況下提高了頻譜利用率。因此，OFDM和MIMO技術(shù)的有效結合已成為新一代移動(dòng)通信的必然趨勢。
2、MIMO-OFDM技術(shù)
2.1 OFDM技術(shù)
正交頻分復用（OFDM）是一種無(wú)線(xiàn)環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。傳統的頻分復用將頻帶分為若干個(gè)不重疊的子頻帶來(lái)傳輸并行數據流，子信道之間要保留保護頻帶。而OFDM技術(shù)中各個(gè)子載波之間相互正交，允許子信道的頻譜相互重疊，因此OFDM系統可以最大限度地利用頻譜資源。OFDM實(shí)際上是一種多載波并行調制方式，其將符號周期擴大為原來(lái)的N倍，從而提高了抗多徑衰落的能力?？梢酝ㄟ^(guò)IFFT（快速傅立葉反變換）和FFT（快速傅立葉變換）分別來(lái)實(shí)現OFDM的調制和解調，其工作原理圖如圖1所示。
圖
OFDM技術(shù)之所以越來(lái)越受關(guān)注，原因在于其存在如下獨特的優(yōu)點(diǎn)：（1）抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強。由于OFDM系統把數據分散到多個(gè)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(guò)采用循環(huán)前綴作為保護間隔，避免了信道間干擾（ICI）。（2）頻譜利用率高。這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線(xiàn)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(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)使系統達到最大比特率。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(lái)實(shí)現調制和解調，便于DSP實(shí)現。（5）無(wú)線(xiàn)數據業(yè)務(wù)一般都存在非對稱(chēng)性，即下行鏈路中的數據傳輸量要遠遠大于上行鏈路中的數據傳輸量，因此無(wú)論從用戶(hù)高速數據傳輸業(yè)務(wù)的需求，還是從無(wú)線(xiàn)通信自身來(lái)考慮，都希望物理層支持非對稱(chēng)高速數據傳輸，而OFDM系統容易通過(guò)使用不同數量的子信道來(lái)實(shí)現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。
當然，OFDM系統也還存在如下主要缺點(diǎn)：（1）易受頻率偏差的影響。無(wú)線(xiàn)信道中的多普勒頻移、頻率偏差都會(huì )造成OFDM系統子信道之間正交性的破壞，導致信道間干擾。（2）存在較高的峰值平均功率比（PAR）。由于多載波調制的輸出信號由多個(gè)子信道上的信號疊加而成，當這些信號的相位一致時(shí)，輸出信號的瞬時(shí)功率會(huì )遠遠大于平均功率。高峰均比對發(fā)射機內放大器的線(xiàn)性提出了極高的要求，如果放大器的動(dòng)態(tài)范圍不能滿(mǎn)足信號幅度的變化，就會(huì )造成信號和頻譜的畸變，從而破壞子載波的正交性，使系統性能惡化。
2.2 MIMO技術(shù)
多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)是第三代和未來(lái)移動(dòng)通信系統實(shí)現高數據速率、大系統容量，提高傳輸質(zhì)量的重要技術(shù)。在當前第三代移動(dòng)通信系統中，下行鏈路的容量構成了整個(gè)系統的瓶頸。但如果在發(fā)送端或接收端使用多天線(xiàn)系統，此時(shí)的信道容量將隨著(zhù)天線(xiàn)數量的增加而線(xiàn)性增大，同時(shí)在不增加帶寬和天線(xiàn)發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率也成倍地提高。
根據收發(fā)兩端天線(xiàn)數量，相對于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系統，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multiple-Output）系統和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統。圖2所示即為典型的MIMO系統原理圖。
圖2 MIMO系統原理圖
2.3 MIMO同OFDM結合的必要性
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(shí)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提高系統容量的能力畢竟有限。而MIMO系統利用空間復用技術(shù)在理論上可無(wú)限提高系統容量，利用空間分集技術(shù)可以抗多徑衰落，但MIMO系統對于頻率選擇性衰落無(wú)能為力，因此有必要將兩者有效地結合起來(lái)。OFDM與MIMO技術(shù)結合構成的MIMO-OFDM系統既可以達到很高的傳輸效率，又有很強的可靠性，其必將成為未來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域的核心技術(shù)。
3、MIMO-OFDM系統模型及其關(guān)鍵技術(shù)
3.1 MIMO-OFDM系統模型
MIMO-OFDM系統模型的發(fā)射端原理圖如圖3所示。即發(fā)送比特流經(jīng)串并轉換后形成若干路并行比特流，各路比特流都分別經(jīng)過(guò)編碼、交織后進(jìn)行相應的星座圖映射（QAM，QPSK），隨后插入抗信道間干擾的保護間隔，然后進(jìn)行OFDM調制（IFFT），再加上抗時(shí)延擴展的循環(huán)前綴（CP），最后由相應的天線(xiàn)發(fā)射出去。
圖3 MIMO-OFDM系統模型發(fā)射端原理圖
MIMO-OFDM系統模型的接收端原理圖如圖4所示。即各個(gè)接收天線(xiàn)收到相應的OFDM符號后，先進(jìn)行時(shí)頻同步處理，然后去掉相應的CP，接著(zhù)進(jìn)行OFDM解調（FFT），最后根據信道估計的結果進(jìn)行檢測解碼，恢復出接收比特流。
圖4 MIMO-OFDM系統模型接收端原理圖
3.2 MIMO-OFDM系統關(guān)鍵技術(shù)
要構建MIMO-OFDM系統需要實(shí)現諸如同步、空時(shí)處理技術(shù)、自適應調制和編碼、信道估計等關(guān)鍵技術(shù)。
1.同步技術(shù)
同步是傳送數據進(jìn)行可靠恢復的基礎，由于MIMO-OFDM系統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(shí)同步、采樣時(shí)鐘同步?？偟貋?lái)講，同步可以在時(shí)域進(jìn)行，也可以在頻域進(jìn)行，一般情況下在時(shí)域進(jìn)行同步的粗略估計，在頻域進(jìn)行同步的細估計。根據是否利用輔助數據，同步估計的算法分為：基于訓練序列/導頻的算法，
2.空時(shí)處理技術(shù)
空間處理技術(shù)包括空間復用技術(shù)和空時(shí)編碼技術(shù)兩部分。典型的空間復用技術(shù)是貝爾實(shí)驗室空時(shí)分層結構（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結構，它是純粹的MIMO多路傳輸，可獲得最大速率?？諘r(shí)編碼技術(shù)（STC）在不同天線(xiàn)所發(fā)送的信號中引入時(shí)間和空間的相關(guān)性，從而在不犧牲帶寬的情況下，提供不編碼系統所沒(méi)有的分集增益和編碼增益?？諘r(shí)編碼做到了編碼、調制和空間分集的完美結合，經(jīng)典的空時(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)格碼可以達到滿(mǎn)分集增益，抗衰落性能比較好，而空時(shí)分組碼基于正交性的設計，在獲得更大的分集增益的同時(shí)，也降低了譯碼的復雜度，因此STBC得到了廣泛的應用。
3.自適應調制和編碼技術(shù)
自適應調制和編碼（AMC）根據信道的情況確定當前信道的容量，再根據容量確定合適的編碼調制方式等，以便最大限度地發(fā)送信息，實(shí)現比較高的速率。AMC能提供可變化的調制編碼方案（共七級調制方案）以適應每一個(gè)用戶(hù)的信道質(zhì)量。自適應編碼調制技術(shù)主要包括RCPT（Rate Compatible Puncturing Turbo codes）和高階調制（MPSK & M-QAM）的結合、H-ARQ和MIMO等。AMC對測量誤差和時(shí)延比較敏感是面臨的技術(shù)挑戰。
4.信道估計技術(shù)
多徑性和時(shí)變性是無(wú)線(xiàn)信道的兩大特點(diǎn)，并且當系統采用空時(shí)編碼時(shí)，接收端在準確知道信道特性的情況下才能進(jìn)行有效的解碼，因此準確的信道估計對無(wú)線(xiàn)系統尤為重要。根據是否利用導頻信息，MIMO-OFDM系統信道估計算法分為：基于訓練序列/導頻的信道估計算法，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則的，其中最常用的準則有：最小二乘（LS）準則和最小均方誤差（MMSE）準則。
●基于導頻的信道估計：通過(guò)在發(fā)送的OFDM符號中插入導頻（塊狀導頻、梳狀導頻）信號，接收端根據導頻位置處的接收信號估計出導頻位置處信道頻率響應，然后再根據內插算法計算出整個(gè)信道的頻率響應。典型的算法有：最小二乘（LS）算法，線(xiàn)性最小均方誤差（LMMSE）算法和最大似然（ML）算法。此類(lèi)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)送導頻或訓練序列，需占用一定的系統資源。
●盲信道估計：利用信道的統計信息諸如循環(huán)平穩特性等進(jìn)行信道估計。由于無(wú)需傳輸導頻信號和訓練序列，從而節約了開(kāi)銷(xiāo)，提高了系統的有效數據傳輸效率，但此類(lèi)算法處理數據量大，算法復雜，收斂速度慢，在實(shí)際中很少使用。
●半盲信道估計：它使用盡量少的導頻信號或訓練序列來(lái)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。該算法是導頻輔助算法和盲估計算法之間的一個(gè)折衷。半盲估計算法降低了盲估計算法的運算復雜度，并加快了其收斂速度，預計對半盲估計算法的研究將成為未來(lái)研究的重點(diǎn)。
4、結束語(yǔ)
MIMO和OFDM技術(shù)結合的系統做到了揚長(cháng)避短，既有效對抗了MIMO系統中的頻率選擇性衰落，又提高了OFDM系統中的系統容量和頻譜利用率，因此，MIMO-OFDM系統及其相關(guān)技術(shù)必將成為第四代移動(dòng)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
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