未來的寬帶無線通信系統，將在高穩定性和高數據傳輸速率的前提下，滿足從語音到多媒體的多種綜合業務需求。而要在有限的頻譜資源上實現綜合業務內容的快速傳輸，需要頻譜效率極高的技術。MIMO技術充分開發空間資源，利用多個天線實現多發多收，在不需要增加頻譜資源和天線發送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。OFDM（正交頻分復用）技術是多載波窄帶傳輸的一種，其子載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。二者的有效結合可以克服多徑效應和頻率選擇性衰落帶來的不良影響，實現信號傳輸的高度可靠性，還可以增加系統容量，提高頻譜利用率，是第四代移動通信的熱點技術。

OFDM技術原理及實現

無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成多個正交子信道，然后將高速數據信號轉換成多個并行的低速子數據流，調制到每個信道的子載波上進行窄帶傳輸。

每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道可以看成平坦性衰落，從而可以消除信道波形間的干擾。由于OFDM是一種多載波調制技術，OFDM系統采用正交方法來區分不同子載波，子載波間的頻譜可以相互重疊，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又極大地提高了頻譜利用率。如圖1可見OFDM的正交性。

圖1 OFDM信號頻譜

由于OFDM系統中有大量載波，所以在實際應用中不可能像傳統的處理方法一樣，使用幾十個甚至幾百個振蕩器和鎖相環進行相干解調。因此，Weinstein提出了一種用離散傅里葉變換實現OFDM的方法。

設OFDM信號發射周期為［0，T］,在一個周期內傳輸的N個符號為(D0，D1，…，DN-1)。第k個符號Dk調制第k個載波fk，所以合成的OFDM信號為:

由式⑤可見，以fs對C(t)采樣所得的N個樣值(C0，C1，…，CN-1)剛好為(D0，D1，…，DN-1)的N點反向離散傅里葉變換(IDFT)。因此OFDM系統可以這樣實現：在發射端，先由(D0，D1，…，DN-1)的IDFT求得(C0，C1，…，CN-1)，再經過低通濾波器即得所需的OFDM信號C(t);在接收端，先對C(t)采樣得到(C0，C1，…，CN-1)，再對(C0，C1，…，CN-1)求DFT，即得(D0，D1，…，DN-1)。

在實際應用中，可以使用DFT的快速算法FFT來實現，采用易于實現的FFT和IFFT技術，可以快速實現調制與解調，而且容易利用DSP電路簡單實現，大大降低了OFDM系統的復雜性。隨著大規模集成電路技術與數字信號處理技術的迅速發展，許多DSP芯片的運算能力越來越快，顯著改善了系統的性能，更進一步推動了OFDM技術的發展。目前，OFDM技術已被普遍認為是新一代無線通信系統必須采用的關鍵技術。

盡管OFDM有著種種優勢，但是對于高速無線通信時代，單純的OFDM系統傳輸容量仍無法大幅提高，因此，MIMO與OFDM技術的結合成為一種優化組合。

MIMO原理及其技術實現

MIMO技術是針對多徑無線信道來說的，是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，從而提高數據速率、減少誤比特率，改善無線信號傳送質量。如圖2所示，MIMO系統同時利用信道編碼和多天線技術，信號S(t)經過空時編碼形成N個發射子流Wk(t)，（k=0，1，……，N-1）。這N個子流由N個天線發射出去，經空間傳輸后由M個接收天線接收。MIMO接收機通過空時解碼處理這些子數據流，對其進行區分和解碼，從而實現最佳的信號處理。MIMO系統正是依靠這種同時使用空域和時域分集的方法來降低信道誤碼率，提高無線鏈路的可靠性。

圖2 MIMO系統信道模型

另一方面，這N個子流同時發射時，只占用同一傳輸信道，并不會增加使用帶寬。在自由空間里，MIMO系統占用比普通天線系統更多的傳輸空間，用來在各發射和接收天線間構筑多條相互獨立的通道，產生多個并行空間信道，并通過這些并行的空間信道獨立地傳輸信息，達到了空間復用的目的，以此方式來提高系統的傳輸容量。

對于天線數與信道容量的關系，我們可以假設在發射端，各天線發射獨立的等功率信號，而且各信號滿足Rayleigh（瑞利）分布，根據MIMO系統的信道傳輸特性和香農信道容量計算方法，推導出平衰落MIMO系統信道容量近似表達式為:

其中B為信號帶寬，SNR為接收端平均信噪比，min(N,M)為發射天線數量N和接收天線數量M中的最小者。式⑥表明，在同等傳輸帶寬，而且接收端信噪比不變化的情況下（基本取決于外界條件和發射功率的變化），多入多出系統的信道容量隨最小天線數目的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統，其容量僅隨天線數量的對數增加而增加。相對而言，在不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發射功率的情況下，利用MIMO技術可以成倍地提高系統傳輸容量，大大提高了頻譜利用率，這是無線通信領域智能天線技術的重大突破。

MIMO-OFDM系統

3.1 MIMO、OFDM系統組合的必要性

在高速寬帶無線通信系統中，多徑效應、頻率選擇性衰落和帶寬效率是信號傳輸過程中必須考慮的幾個關鍵問題。多徑效應會引起信號的衰落，因而被視為有害因素。然而MIMO系統是針對多徑無線信道而產生的，在一定程度上可以利用傳播過程中產生的多徑分量，多徑效應對其影響并不大，反而可以作為一個有利因素加以使用。但MIMO對于頻率選擇性衰落仍無法避免，而解決頻率選擇性衰落問題恰恰正是OFDM的一個長處。

OFDM技術實質上是一種多載波窄帶調制，可以將寬帶信道轉化成若干個平坦的窄帶子信道，每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，所以每個子信道上的頻率選擇性衰落可以看作是平坦性衰落。 OFDM被認為是第四代移動通信中的核心技術，然而4G需要高的頻譜利用技術和高速傳輸系統，為了進一步提高系統傳輸速率，使用OFDM技術的無線通信網就必須增加載波的數量，而這種方法會造成系統復雜度的增加，并增大系統的占用帶寬。而MIMO多天線技術能在不增加帶寬的情況下，在每一個窄帶平坦子信道上獲得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系統的容量和頻譜效率，是一種利用空間資源換取頻譜資源的技術。

因此MIMO-OFDM系統的提出是無線通信領域的重大突破，其頻譜利用率高、信號傳輸穩定、高傳輸速率等基本特性能夠滿足下一代無線傳輸網發展要求。MIMO-OFDM系統內組合了多輸入和多輸出天線和正交頻分復用調制兩大關鍵技術。這種系統通過空間復用技術可以提供更高的數據傳輸速率，又可以通過空時分集和正交頻分復用達到很強的可靠性和頻譜利用率。

3.2 MIMO-OFDM系統模型

在典型的MIMO-OFDM系統模型中，發射端（N個發射天線）工作流程如下：輸入的數據符號流經串/并電路分成N個子符號流，采用信道編碼技術對每個符號流進行無失真壓縮并加入冗余信息，調制器對編碼后的數據進行空時調制；調制后的信號在IFFT電路中實現OFDM調制處理，完成將頻域數據變換為時域數據的過程，然后輸出的每個OFDM符號前加一個循環前綴以減弱信道延遲擴展產生的影響，每個時隙前加前綴用以定時，這些處理過的OFDM信號流相互平行地傳輸，每一個信號流對應一個指定的發射天線，并經數模轉換及射頻模塊處理后發射出去。

圖3 帶自適應方案的MIMO-OFDM系統基本結構

接收端進行與發射端相反的信號處理過程，首先通過接收端的M根接收天線接收信號，這些信號經過放大、變頻、濾波等射頻處理后，得到基帶模擬接收信號;并分別通過模數轉換將模擬信號轉換為數字信號后進行同步，在去循環前綴后通過FFT解調剩下的OFDM符號;此時，時延數據變換成為頻域數據，接下來在頻域內，從解調后的OFDM符號中提取出頻率導頻，然后通過精細的頻率同步和定時，準確地提取出導頻和數據符號，實現數據還原。

如上說明，IFFT/FFT和循環前綴的添加和去除過程都在每一個獨立的發送和接收模塊內完成，而MIMO的空時編碼和空間復用處理技術也可以應用于OFDM的每個子載波上（對應平衰落信道）。總而言之，在MIMO-OFDM系統中，增加了頻域的分集和復用作用，帶來了更大的系統增益和系統容量。

MIMO-OFDM系統的關鍵技術

4.1 MIMO空時信號處理技術

空時信號處理是隨著MIMO技術而誕生的一個嶄新的概念，與傳統信號處理方式的不同之處在于其同時從時間和空間兩方面研究信號的處理問題。空時信號處理包括發射端的信令方案和接收端的檢測算法。從信令方案的角度看，MIMO可以大致分為空時編碼（STC:Space Time Coding）和空間復用（SM:Spatial Multiplexing）兩種。

（1）空時編碼技術

空時編碼技術在發射端對數據流進行聯合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，通過在發射端的聯合編碼增加信號的冗余度，從而使信號在接收端獲得最大的分集增益和編碼增益;但它的缺點是無法提高數據傳輸速率。一般而言，空時編碼包括空時格碼(STTC: Space-Time Trellis Code)和空時分組碼(STBC:Space-Time Block Code)。空時格碼可以實現滿分集增益，并且具有相應的編碼增益，抗衰落性能比較好。空時分組碼也可以獲得滿分集增益，而且這種技術只需在接收端進行簡單的線性處理，大大簡化了接收機的結構。

（2）空間復用技術

空間復用是通過不同的天線盡可能多地在空間信道上傳輸相互獨立的數據。MIMO技術的空間復用就是在接收端和發射端使用多個天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一信道上使用多個數據通道（MIMO子信道）發射信號，從而使得信道容量隨著天線數量的增加而線性增加。這種信道容量的增加不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發射功率，因此是增加信道和系統容量的一種非常有效的手段。

目前，該技術主要的解碼方法有ZF、MMSE、ML、BLAST等。典型的空間復用技術是貝爾實驗室的空時分層結構(BLAST)，包括V-BLAST, H-BLAST和D-BALST三種。其中最基本的形式是針對平衰落信道的V-BLAST結構，它沒有得到空間分集，而是純粹的MIMO多路傳輸，可獲得最大速率或流量增益。

空間復用能最大化MIMO系統的平均發射速率，但只能獲得有限的分集增益。將空間復用和空時編碼相結合，能在保證每個數據流獲得最小分集增益的條件下，最大化平均數據率，從而得到高頻譜效率和傳輸質量的良好折中。目前將空間復用和空時編碼相結合的方案主要有兩種，即鏈接編碼和使用塊碼映射的自適應MIMO系統。

4.2 同步

對于無線通信來說，無線信道存在時變性，在傳輸中存在的頻率偏移會使MIMO-OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統也有很大的損害。

由于發送端和接受端之間的采樣時鐘有偏差，每個信號樣本都一定程度地偏離它正確的采樣時間，此偏差隨樣本數量的增加而線性增大，盡管時間偏差會破壞子載波之間的正交性，但是通常情況下可以忽略不計。當采樣錯誤可以被校正時，就可以用內插濾波器來控制正確的時間進行采樣。

相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機相位變量，跟蹤技術和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響;其次也會引入一定量的信道間干擾，因為相位誤差導致子載波的間隔不再是精確的1/Ｔ了。

為解決MIMO-OFDM的同步問題，出現了多種同步算法，主要是針對循環擴展和特殊的訓練序列以及導頻信號來進行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計算法，其中ESPRIT算法雖然估計精度高，但計算復雜、計算量大;而ML算法利用OFDM信號的循環前綴，可以有效地對MIMO-OFDM信號進行頻偏和時偏的聯合估計，而且與ESPRIT算法相比，其計算量要小得多。目前，對MIMO-OFDM技術的同步算法研究得比較多，需要根據具體的系統具體設計和研究，利用各種算法融合進行聯合估計才是可行的。

4.3 信道估計

在MIMO-OFDM系統中，發送端編碼和接收端信號檢測都需要真實準確的信道狀態信息。信道狀態信息的準確性將直接影響著MIMO-OFDM系統的整體性能。然而對于MIMO-OFDM系統，不同的信號同時從不同的天線發射出去，對于每一個天線、每一個子載波都會對應很多個信道參數，信道參數太多，對信道估計帶來了較大的困難。但對于不同的子載波，同一空分信道的參數是相關的，我們可以利用這一相關特性得到參數的估計方法。

4.4 信道糾錯編碼

糾錯編碼技術在現代數字通信的作用毋庸置疑，作為改善數字信道通信可靠性的一種有效手段，低復雜度、高性能的編碼方案明顯可以大大提高系統的性能。在數字通信領域，比較常用的編碼方法主要有卷積碼、分組碼、Turbo碼和LDPC（低密度奇偶校驗）碼。而其中最受人們關注、理論最成熟的是Turbo碼和LDPC碼。

Turbo碼可獲得比傳統級連碼更大的編碼增益，被認為是大編碼存儲卷積碼或傳統級連碼的替代方案。但是，對于使用Turbo的系統來說，其解碼的復雜度遠高于編碼的復雜度，無線通信系統要求的是一個復雜度很低的終端，以盡量節省系統成本。于是，解碼復雜度低的LDPC編解碼技術開始大量運用。

LDPC（低密度奇偶校驗碼）是一類可以用非常稀疏的Parity-check（奇偶校驗矩陣）或Bi-Partite graph(二分圖)定義的線性分組糾錯碼。其特點是：性能優于Turbo碼，具有較大的靈活性和較低的差錯平底特性（error floors）；描述簡單，對嚴格理論分析具有可驗證性；譯碼復雜度低于turbo碼，且可實現完全的并行操作；硬件復雜度低，因而適合硬件實現；吞吐量大，極具高速譯碼潛力。因此，結合LDPC的無線通信系統必將獲得更好的性能。

4.5 自適應技術

MIMO-OFDM系統可以將無線通信的信號處理從時頻分集擴展為空時頻分集，進一步分割信道為空時頻正交子信道。這樣，就需要根據各個子信道的實際傳輸情況靈活地分配發送功率和信息比特，以最大限度地提高系統容量。而且由于無線信道的頻率選擇性和時變性，也需要實時地對信道進行檢測，以便更加有效地利用無線資源。

自適應傳輸的基本思想是根據傳輸信道的實際情況，改變發射功率的水平、每個子信道的符號傳輸速率、QAM星座大小、編碼等參數或這些參數的組合以維持恒定的誤碼率。對于同一MIMO-OFDM通信系統的所有子載波來說，其誤碼率主要由經歷衰落最嚴重的子信道決定。在頻率選擇性衰落信道中，隨著平均信噪比的增加，系統的誤碼率下降十分緩慢。可以對不同的子信道選用不同的無線傳輸參數，即采用不同的發射功率、傳輸速率、調制和編碼參數，使信噪比不同的每個子信道得到其最佳的一一對應的傳輸方案。簡單地說，就是在不犧牲誤碼率的情況下，通過傳輸質量好的子信道采用高速傳輸，而在質量不好的子信道以降低傳輸速率等方式來提供較高的頻譜使用效率。

自適應技術大大減少了對均衡和交織的依賴，提升了通信系統的性能。

小結

將MIMO技術和OFDM技術優化結合，能夠充分利用這兩種技術優點，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。在先進的編碼和自適應技術的支持下，MIMO和OFDM的結合應用，將成為第四代移動通信系統中的關鍵技術。

參考文獻

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