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1、浅析 MIMO-OFDMA 及其关键技术键入文字 浅析 MIMO-OFDM及其关键技术摘要 ：MIMO 技术与 OFDM 技术相结合被视为下一代移动通信中有效对抗 频率选择性衰落、 提高数据传输数率、 增大系统容量的关键技术。 本文全面叙述 了 MIMO 和 OFDM 技术及其特点，分析了MIMO OFDM 技术在无线局域网中 的应用，探讨了 MIMO OFDM 中的关键技术，并展望了其发展前景。Abstract: MIMO and OFDM were considered as a key technique which will conquer the frequency selected
2、 fading,increase the data transmission rate and improve the system capacity in the next generation mobile communication.This paper described MIMO and OFDM with its characteristics, analyzed the application of MIMO-OFDM in WLAN, investigated the key technology in MIMO- OFDM. Whats more, the rest of t
3、his paper prospected the future of MIMO-OFDM. 关键字： MIMO ； OFDM；空时编码；信道估计； 4G 一 . 引言新一代移动通信 (Beyond 3G/4G)将可以提供高达 100Mb/s甚至更高数据传输 速率，支持从语音到多媒体的业务。 数据传输速率可以根据这些业务所需的速率 不同动态调整。 新一代移动通信的另一个特点是低成本。这样在有限的频谱资源 上实现高速率和大容量， 需要频谱效率极高的技术。 MIMO 技术充分开发空间资 源，利用多个天线实现多发多收， 在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况 下，可以成倍地提高信道容量。OFDM 技
4、术是多载波传输的一种，其多载波之 间相互正交， 可以高效地利用频谱资源。 将二者有效的结合起来已成为下一代移 动通信技术的热点。二 . MIMO-OFDM技术原理和特点1. OFDM 技术1.1 OFDM 技术原理多径散射是产生频率选择性衰落之源。面向频率选择性信道的信息传输技术的研究是宽带移动通信中最具有挑战性的工作之一。在第三代移动通信系统中，采用码分多址（ CDMA ）技术来处理多径问题，以获得多径分集增益。然而在该体制中，多径干扰和多用户干扰始终并存。 虽然在理论上采用多用户检测 （MUD）浅析 MIMO-OFDMA 及其关键技术键入文字 的办法能够完全分离各个用户的信号，分解多址干扰
5、和多径干扰， 但在用户数较多的情况下，实现多用户检测是非常困难的。OFDM 是一种高频谱利用率的并行传输技术，其思想是使用多个并行的子载波传输数据，并使相邻子载波间隔等于一个子载波的带宽，子载波之间相互正交。在理想情况下， 接收端可以利用子载波之间的正交性，互不干扰地对各子载波进行解调。由于频谱重叠，OFDM 系统的频谱利用率提高幅度与一般的频分复用相比几乎达到一倍。 OFDM 传输技术与单载波系统相比最大的优势在于它适配于频率选择性衰落信道。在接收端，经过无线信道后的OFDM 信号各子信道间保持了原有的正交性， 信道干扰的影响简化为一个复传输常数与一个子信道所传输的信号相乘。 因此，对信号进
6、行均衡变得很简单，但在传统的相同带宽的单载波系统中实现这种均衡是非常困难的。图 1 OFDM 系统框图信源出来的数据流经过前向纠错编码后进入调制单元。常用的纠错编码方式是：RS码符号交织卷积码比特交织。纠错编码后的数据流经过QPSK、QAM 等方式的调制后，插入导频(主要进行信道估计或者用于同步)，经过串并转换， 被分为 N 路子数据流，分别对应 OFDM 调制的 N 个子信道。然后进行 IFFT变换，并串转换后添加循环前缀CP，经天线发射出去。接收端则进行相反的过程。1.2 OFDM 技术特点OFDM 技术优点浅析 MIMO-OFDMA 及其关键技术键入文字 OFDM 将频率选择性信道划分为
7、一组平衰落的子信道并行传输数据，从而有效地减小了信道时延扩展的影响，而且当循环前缀的长度大于信道最大时延扩展时，接收机中可以不采用均衡器。OFDM 的各子载波信道的频谱相互重叠， 且每个子信道频域响应的峰值点恰为其它子信道频域响应的零点，因而既保证了子载波的正交性， 也充分利用了频谱资源。可利用 FFT/IFFT 快速高效的实现调制解调。可以根据信道特性自适应地进行各子载波上的功率分配以及选择不同的调制方式，充分利用条件好的子信道以提高系统性能。OFDM 技术缺点与单载波系统相比， OFDM 对频率偏差更加敏感。 无线信道的时变性造成的多普勒频移，或者发射机和接收机本地振荡器的频率偏差都会破坏
8、子载波的正交性，从而导致 ICI。OFDM 存在较高的峰值平均功率比，这是由于OFDM 的输出信号由多个子信道上的信号叠加而成， 当这些信号的相位一致时， 输出信号的瞬时功率会远远大于平均功率。 高峰均比对发射机内的线性放大器提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号幅度的变化，就会造成信号波形和频谱的畸变，因而破坏子载波的正交性。1.3 OFDM 仿真1.3.1 仿真流程如下：浅析 MIMO-OFDMA 及其关键技术键入文字 1.3.2 仿真结果：误比特率计算接收端串并转换去除循环前缀进行 FFT变换信号解调开始产生要传输的随机数输出前滤波串并转换进行 IFFT操作增加循环前缀并串转
9、换进行调制增加信道噪声结束浅析 MIMO-OFDMA 及其关键技术键入文字 -80-60-40-2002040608000.050.10.150.20.25浅析 MIMO-OFDMA 及其关键技术键入文字 -60-40-200204060-20-15-10-505101520Received OFDM signal spectrum-60-40-200204060-2-1.5-1-0.500.511.52Transmitted OFDM signal spectrum浅析 MIMO-OFDMA 及其关键技术键入文字 2. MIMO （多输入多输出）技术多入多出 (MIMO) 技术是无线通信领域
10、智能天线技术的重大突破。MIMO 技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。普遍认为，MIMO 将是新一代无线通信系统必须采用的关键技术。在室内，电磁环境较为复杂，多经效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道困难。多径效应会引起衰落， 因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIM0 系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。MIMO 系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线 )和多通道。MIMO 的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流S(k)经过空时编码形成N 个信息子流
11、 Ci(k)，i=1，N。这 N 个子流由 N 个天线发射出去，经空间信道后由 M 个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是，这 N 个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则MIMO 系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。MIMO 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可实现高的通信容量和频谱利用率。 这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。图 2 为 N 根发射天线N 根接收天线的MIMO 系统框
12、图系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M 的多入多出（ MIMO ）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M 很大，则信道容量C 近似为公式（ 1）C=min(M,N)Blog2(2) 浅析 MIMO-OFDMA 及其关键技术键入文字 其中 B 为信号带宽， 为接收端平均信噪比， min（M，N）为 M，N 的较小者。上式表明，功率和带宽固定时， MIMO 的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。 而在同样条件下， 在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统， 其容量仅随天线数的对数增加而增加。因此，MI
13、MO 技术对于提高无线局域网的容量具有极大的潜力。MIMO 信道容量 C 和 SNR 的关系仿真：3.MIMO与 OFDM 结合的必要性和简介 从以上分析我们可以看出MIMO 和 OFDM 在各自的应用领域有各自的优点， MIMO 系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO 仍是无能为力， 现在一般采用均衡技术来解决MIMO 系统中的频率选择性衰落。还有一种就是 OFDM 技术，OFDM 被认为是下一代移动通信中的核心技术。4G 需要高的频谱 利用率的技术，但 OFDM 提高频谱利用率的能力毕竟有限。如果结合MIMO 技 术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。MIMO+OFDM
14、 技术可以提 供更高的数据传输速率， 又可以通过分集达到很强的可靠性，如果把合适的数字 信号处理技术应用到MIMO+OFDM系统中能更好的增强系统的稳定性。另外， OFDM 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力。多径 时延小于保护间隔使系统不受码间干扰的影响。这样就可以使单频网络使用宽带 OFDM 系统依靠 MIMO 技术消除阴影效应。 MIMO-OFDM 技术是通过在 OFDM 传输系统中采用阵列天线实现空间分集， 提高了信号质量，是联合 OFDM 和 MIMO 而得到的一种新技术。 它利用了时间、 频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。 可
15、以看出， MIMO-OFDM 系统有 Nt 个发送天线， Nr 个接收天线，在发送端和 接收端各设置多重天线， 可以提供空间分集效应， 克服电波衰落的不良影响。 这 是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时衰落。 输入的比特 流经串并变换分为多个分支， 每个分支都进行 OFDM 处理，即经过编码、 交织、05101520253035404550024681012141618SNRC浅析 MIMO-OFDMA 及其关键技术键入文字 QAM 映射、插入导频信号、 IDFT 变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无 线信道中；接收端进行与发射端相反的信号处理过程，例如：去除循环前缀、
16、DFT 变换、解码等等，同时进行信道估计、定时、同步、MIMO 检测等技术， 来完全恢复原来的比特流。4. MIMO+OFDM中的关键技术4.1 MIMO-OFDM系统模型MIMO-OFDM 系统模型如图 3 所示图 3 MIMO-OFDM 发射端的简明方框图(1)发射端：信源的比特流经前向纠错编码交织后映射到数字解调器的星座 图上，再进入 OFDM 编码器进行编码。然后输出的符号流相互平行地传输，每 一个符号流对应指定的发射天线，并且它们的发射过程是一样的。 首先根据导频 模型插入导频符号，然后频域内的符号流经FFT 反变换成 OFDM 符号流。每个 OFDM 符号前加一个循环前缀以减弱信道延迟扩展的影响，每个时隙前加前缀 用以定时，最后数据帧经IF/RF 器件发射出去。如图3 所示。图 4 MIMO-OFDM 接收端的简明方框图(2)接收端：接收天线接收来自IF/RF 的符号流首先进行同步， 包括粗略的频 率同步和前缀辅助定时。然后从接收到的符号流中提取出前缀码和循环前缀码， 接下来通过
