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1、MIMO-OFDM技术概述摘要现代信息社会中,人们对宽带移动通信系统的数据需求量日益增长。为此，未来宽带移动通信系统必须提供更高的传输速率和更优的服务质量。MIMO技术能够利用信号的空时频域特性，可以很好地对抗平坦衰落信道，但对频率选择性信道却无能为力，而OFDM技术可以将频率选择性衰落转化为平坦衰落，MIMO和OFDM两种技术的结合和相互补充，既可以很好地解决未来无线宽带通信系统中信道多径衰落和带宽效率的问题，又能够提高系统容量和传输可靠性，因此采用 MIMO 技术的OFDM 系统是现代移动通信的核心技术。本文首先介绍正交频分复用（OFDM）技术和多输入多输出（MIMO）系统的基本原理，简述
2、MIMO-OFDM 技术及其特点，并初步探讨了 MIMO-OFDM 系统的关键技术。关键词：多输入多输出；正交频分复用；MIMO-OFDM；载波；编码一、引言正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作是一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干比特流，这样每个子数据将具有低得多的比特速率，用这样的低比特速率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，这构成了多个低速率符号并行发送的传输系统。OFDM是对多载波调制 (MultiCarrier Modulation)
3、的一种改进，它的特点是各子载波相互正交，所以扩频后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率，可以有效地抵抗频率选择性衰落。多输入多输出(MIMO)技术是指利用多发送和多接收天线进行空间分集的技术，是无限移动通信领域智能天线技术的重大突破。在无线通信领域，对MIMO的研究源于对多个天线阵元空间分集的性能研究。从20世纪80年代开始，研究学者发现与合并技术结合的多天线空间分集可进一步改善无线链路性能并增加系统容量，Salzzai研究了单用户MIMO高斯信道，以两径传播信道模型分析了空间分集对信道容量和容量分布的影响。Winters讨论了干扰受限的无线系统中，利用多天
4、线空间分集所能带来的容量增益，并明确地指出了增加分集天线数目可以增加系统容量。多输入多输出系统充分开发空间资源，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。二、 正交频分复用（OFDM）技术正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波传输方案，它可以看作是一种调制技术，也可以当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流， 这样每个子数据流具有低得多的比特数据流，再去调制成相应的子载波，各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠。在OFDM 系统中，在各个频段上发送的并行数据信号合并成一个独立的复用数据流，这些数据由多个子载波组合
5、而成，然后在 OFDM 系统中传输。这样增加了数据的吞吐量，提高了传输速度。传统的FDM系统中，两个信道之间存在较大的频率间隔作为保护带来防止干扰，这样就降低了系统的频谱利用率。因此，OFDM系统比传统 FDM 系统具有更高的带宽利用率。OFDM 通信系统基本模型如图 1所示。输入的二元数字序列首先进行串并图1 OFDM 通信系统基本模型图转换和编码映射，然后经过快速傅里叶逆变换 （IFFT） 对编码后的星座点进行基带调制，再经并串转换， D/A 转换及低通滤波后经过上变频送到信道。接收端的处理过程与发送端相反，信道出来的信号先经过下变频，低通滤波(LPF)， A/D 转换及串并转换后，再进行
6、快速傅里叶变换（FFT），然后对所得数据进行均衡，以校正信道失真，最终进行译码判决和并串转换，恢复出原始的二元数字序列。在OFDM系统中，符号连续传输，每个传输符号的速率大约在几十bit/s到几十kbit/s之间，每个符号的频谱几乎占据了整个系统的可用带宽。当OFDM符号在无线信道中进行传输时，系统子载波会受到频率选择性作用，产生严重的衰减，从而造成在接收端解调出错误信号。通常错误的出现是连续的，采用前向纠错编码方法(FEC)可以有效地降低错误概率，为了进一步提高系统的性能，可以将串行的数据流转换成并行数据流。OFDM是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落
7、。快速傅里叶变换(FFT)和逆快速傅里叶变换(IFFT)可以分别执行OFDM系统的调制和解调的功能，快速傅里叶变换优势在于可以大大降低OFDM系统的计算复杂度。三、 多输入多输出（MIMO）系统在通信两端发送和接收信号称为单输入单输出系统（SISO），而在通信两端使用多个天线进行发送和接收信号称为多输入多输出系统 （MIMO）。由于电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰的存在，使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道传输难。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。但对于 MIMO 系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用，因 MIMO 系统在发射端和接收端均采用多天线和多通
8、道，多输入和多输出针对多径无线信道而言的。MIMO 系统的原理图如图2 所示，传输信息流S(k)经过时空编码形成 N 图2 MIMO系统原理图个信息子流 CN(k)。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。多天线接收利用先进的空时编码处理就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时，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射和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，在不占用额外的带宽，也不消耗额外的发射功率的情况下，利用 MIMO 技术可以成倍地
9、提高系统传输容量，大大提高了频谱利用率。MIMO技术不仅包含了智能天线技术的信号处理，其近来的发展已经涉及编码、调制和网络系统结构等方面，它使用多个发送天线和多个接收天线可以在不降低频谱利用率条件下实现天线分集。在实现空间分集时，信号在时间域和频域内都没有引入冗余，因此有利于信号在无线信道中进行高速传输。MIMO技术使用阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响，同时利用分集技术提高接收信号的信干噪比(SINR)。因此在一定的SINR条件下可以降低接收信号的误码率，使得基站和移动终端的发射功率得到了一定程度的降低。MIMO技术能够利用传播中的多径分量，在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流
10、，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率，提高了系统的传输速率，有效地改善了多径衰落对系统的影响。但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然无能为力。四、OFDM 调制的MIMO系统OFDM 技术是一种特殊的多载波传输方案，其多载波之间相互正交，可以高效利用频谱资源，同时OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波,可以有效抵抗频率选择性衰落。与MIMO技术相结合的MIMO-OFDM系统既可以达到很高的传输效率，又可以通过分集达到很强的可靠性，从而成为现代移动通信系统核心技术的解决方案。MIMO-OFDM 系统模型如图3所示，发射端N 个发射天线的工作流程如下：输入的数据符号流经串并电路分成N个子符号
11、流，采用信道编码技术对每图3 MIMO-OFDM 系统基本结构个符号流进行无失真压缩并加入冗余信息，调制器对编码后的数据进行空时调制；调制后的信号在 IFFT电路中实现OFDM调制处理，完成将频域数据变换为时域数据的过程，然后输出的每个OFDM 符号前加一个循环前缀以减弱信道延迟扩展产生的影响，每个时隙前加前缀用以定时，这些处理过的 OFDM 信号流相互平行地传输，每一个信号流对应一个指定的发射天线，并经数模转换及射频模块处理后发射出去。接收端进行与发射端相反的信号处理过程，首先通过接收端的 M 根接收天线接收信号，这些信号经过放大、变频、滤波等射频处理后，得到基带模拟接收信号；并分别通过模数
12、转换将模拟信号转换为数字信号后进行同步，在去循环前缀后通过 FFT 解调剩下的 OFDM 符号；此时，时延数据变换成为频域数据，接下来在频域内，从解调后的OFDM 符号中提取出频率导频，然后通过精细的频率同步和定时，准确地提取出导频和数据符号，实现数据还原。MIMO和OFDM两种技术结合，不但能够实现很高的数据传输速率，还能通过分集实现增强传输的可靠性。MIMO和OFDM技术的互补特性促使了两者在宽带传输领域的结合。MIMO-OFDM技术，综合了MIMO高频谱效率和OFDM简化接收机的特点，通过在OFDM传输系统中采用阵列天线引入空间资源，同时利用时间、频率和空间处理方式，使移动通信系统对噪声
13、、干扰、多径的容限大大增加，有效地提高了无线链路的传输速率和系统可靠性。MIMO-OFDM技术作为4G LTE-Advanced的核心技术，两者的结合在提高无线链路的有效性和可靠性方面都具有很大的潜力。五、MIMOOFDM 的关键技术MIMOOFDM系统实现过程中有很多关键技术，以下简要介绍几种。（1） MIMO-OFDM 系统中的时频同步。对于MIMO-OFDM 系统的同步问题涉及前导序列的设计，时间和频率同步，以及信号检测技术等方面。一般来说，在MIMO-OFDM 系统在下行和上行链路传播之间都存在同步时隙，用于实施相位和频率对齐，并且实施频率偏差估计。时隙可按以下方式构成： 在偶数序号的
14、子载波上发送数据和练习符号，而在奇数序号的子载波上设置为零。这样经过 IFFT 变化后得到的时域信号就会被重复，有利于信号的检测。（2） MIMO-OFDM 信道估计。在 MIMO-OFDM 系统中，发送端编码和接收端信号检测都需要真实准确的信道状态信息，信道状态信息的准确性将直接影响着 MIMO-OFDM 系统的整体性能。然而对于 MIMO-OFDM 系统，不同的信号同时从不同的天线发射出去，对于每一个天线、每一个子载波都会对应很多个信道参数，信道参数太多，对信道估计带来了较大的困难。但对于不同的子载波，同一空分信道的参数是相关的，我们可以利用这一相关特性得到参数的估计方法。MIMO-OFD
15、M 系统信道估计方法一般有三种：非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。（3） MIMO-OFDM 系统中的空时编码技术。空时信号处理是随着 MIMO 技术而诞生的一个崭新的概念，与传统信号处理方式的不同之处在于其同时从时间和空间两方面研究信号的处理问题。空时信号处理包括发射端的信令方案和接收端的检测算法。从信令方案的角度看，MIMO 可以大致分为空时编码 （STC: Space Time Coding）和空间复用（SM: Spatial Multiplexing）两种。（4） MIMO-OFDM 系统中的纠错编码。纠错编码技术是改善数字信道通信可靠性的一种有效手段，低复杂度、高性能的编码方案
16、明显可以大大提高系统的性能。在数字通信领域，比较常用的编码方法主要有卷积码、分组码、Turbo码和LDPC（低密度奇偶校验）码。而其中最受人们关注、理论最成熟的是Turbo 码和LDPC 码。Turbo 码可获得比传统级连码更大的编码增益，被认为是大编码存储卷积码或传统级连码的替代方案。但是，对于使用Turbo的系统来说，其解码的复杂度远高于编码的复杂度，无线通信系统要求的是一个复杂度很低的终端，以尽量节省系统成本。于是，解码复杂度低的 LDPC 编解码技术开始大量运用。其特点是：性能优于Turbo码，具有较大的灵活性和较低的差错平底特性（error floors）；描述简单，对严格理论分析具有可验证性；译码复杂度低于turbo码，且可实现完全的并行操作；硬件复杂度低，因而适合硬件实现；吞吐量大，极具高速译码潜力。因此，结合LDPC 的无线通信系统必将获得更好的性能。六、 结束语OFDM技术可以将频率选择性衰落转化为平坦衰落，减小多径衰落的影响
