4G移動(dòng)通信中的OFDM-MIMO技術(shù)研究

　　4G將提供高達100Mb/S甚至更高的數據傳輸速率，支持從語(yǔ)音到多媒體的業(yè)務(wù)，實(shí)現商業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、局域網(wǎng)、藍牙、電視衛星通信等的無(wú)縫連接，相互兼容。數據傳輸速率還可以根據所要的速率不同進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整。在有限的頻譜資源上實(shí)現如此高速率和大容量，需要提高頻譜效率。OFDM技術(shù)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(gè)天線(xiàn)實(shí)現多發(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(wú)線(xiàn)信道頻率選擇性衰落、增加系統容量、提高頻譜利用率，成為4G中關(guān)鍵技術(shù)之一，是當今移動(dòng)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

　　1、MIMO技術(shù)

　　MIMO是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域智能天線(xiàn)的重大突破，它在發(fā)送端和接收端使用多天線(xiàn)（或天線(xiàn)陣）同時(shí)發(fā)送、接收信號，如圖1所示，若各發(fā)送、接收天線(xiàn)之間的信道沖激響應獨立，MIMO就可以創(chuàng )造多個(gè)并行的空間信道。通過(guò)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系統框圖

　　由于各發(fā)送天線(xiàn)同時(shí)發(fā)送的信號占用同一頻段，所以在沒(méi)有增加帶寬的情況下，成倍地提高了系統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(huì )隨天線(xiàn)數目的增加而線(xiàn)性增加，如圖2所示。由圖2可知，當天線(xiàn)數目增多時(shí)，系統容量和信噪比幾乎成線(xiàn)性關(guān)系，同時(shí)也證明了MIMO能改善系統性能。

圖2　信道容量與天線(xiàn)根數之間關(guān)系

　　2、OFDM技術(shù)

　　OFDM的思想是使用多個(gè)并行的子載波傳輸數據，并使相鄰的子載波間隔等于一個(gè)子載波的帶寬，子載波間相互正

　　3、MIMO-OFDM模型

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

圖3　MIMO-OFDM系統結構圖

　　4、MIMO-OFDM系統關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1　信道估計

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

　　目前信道估計有兩類(lèi)：一類(lèi)是基于訓練序列或導頻的方法，此類(lèi)方法在時(shí)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(lèi)是采用盲方法來(lái)進(jìn)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(guān)的統計信息，在無(wú)需知道導頻或訓練序列的情況下估計信道參數，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(shí)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系統信道估計的熱點(diǎn)。

　　4.2　同步

　　MIMO-OFDM系統對定時(shí)和頻偏敏感，因此時(shí)域和頻率同步特別重要。MIMO-OFDM系統同步問(wèn)題包括載波同步、符號同步和幀同步。

　　載波頻率不同步會(huì )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，更嚴重是帶來(lái)ICI，同時(shí)還會(huì )影響到符號定時(shí)和幀同步的性能。所以載波同步對MIMO-OFDM系統尤為重要。

　　符號定時(shí)的目的是為了找到FFT窗的起始位置，使子系統保持正交，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(guān)特性進(jìn)行符號定時(shí)。

　　幀同步是在OFDM符號流中找出幀的開(kāi)始位置，在幀頭被檢測到的基礎上，接收機根據幀結構的定義，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(shù)

　　無(wú)線(xiàn)通信的不可靠性主要是由無(wú)線(xiàn)衰落信道時(shí)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(shí)減少多徑衰落對基站和移動(dòng)臺的影響就顯得很重要。唯一方法是采用抗衰落技術(shù)，克服多徑衰落的有效方法是各種分集技術(shù)。

　　分集技術(shù)目前分為時(shí)間分集、頻率分集和空間分集等。時(shí)間分集是在時(shí)域內提供多個(gè)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(shí)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(gè)信號副本，要求幾個(gè)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?？臻g分集就是采用多個(gè)天線(xiàn)發(fā)送和接收數據，為保證多個(gè)發(fā)送或多個(gè)接收信號之間的獨立性，要求各個(gè)天線(xiàn)之間距離要足夠大，一般大于若干個(gè)波長(cháng)。

　　每一種分集技術(shù)都有它的適用的場(chǎng)合，因此在新一代移動(dòng)通信系統中，必須考慮多種技術(shù)的結合。

　　4.4　空時(shí)編碼

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

　　LST的特點(diǎn)是其編解碼的過(guò)程非常簡(jiǎn)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(méi)有實(shí)現分集。

　　STTC是由AT&T實(shí)驗室的Tarokh博士領(lǐng)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(jìn)行編碼，然后再通過(guò)天線(xiàn)陣發(fā)射，其優(yōu)點(diǎn)是具有高的分集增益和編碼增益、發(fā)射帶寬無(wú)損

　　STBC支持最大似然檢測（ML），接收端采用線(xiàn)性處理技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)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(méi)有展寬帶寬，沒(méi)有犧牲頻譜效率，缺點(diǎn)是不能提供任何實(shí)質(zhì)上的編碼增益。

　　STFC是MIMO-OFDM的一項新技術(shù)。STFC-OFDM系統將時(shí)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(mǎn)的分集增益，從而提高系統的性能。

　　5、總結

　　本文介紹了MIMO-OFDM技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，如信道估計、同步、分集技術(shù)和空時(shí)編碼等。由于MOMO和OFDM技術(shù)的結合，既能提高分集增益和系統容量，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(dòng)通信系統研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　參考文獻

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