正交频分复用OFDM

1、设想5G时代会给我们的生活带来什么变化现在已经有很多人预言将来的5G将是无线移动通信的一场革命，上网速度就不用多说了。3D视觉体验就成为普通大众都可以享受的事情，而不再需要去电影院。5G时代首先迎来的将是无线设备数量的大爆炸，镜框、花盆、腰带、冰箱、鱼缸、饭碗、茶杯、沙发你能见到的东西都有无线通信设备附件，1平方公里会有上百万个设备通过无线的方式加入了互联网，平均服务每个人的无线设备会有上千个，所有的东西都成为了互联网的一部分。即“互联所有”。 “设备互通”也将是5G时代的典型特征，即设备之间不用人工干预的互通互联互操作。公路和停车场的车辆，它们之间相互通信沟通情况，并帮助车主做出最佳的规划。

2、你走在大街上，临近店铺自动给你的手机发广告(很明显，有很多人不喜欢这个功能，会有一种随时都在接收小广告的感觉)因此，我们的手机自然也会根据你的个性喜好设定，智能地选择把这些小广告通知给你或自动屏蔽。冰箱与微波炉，空调与门窗，现实有关联的设备都在后台默默地高速通信，并为你营建智能的办公和家居环境。就像现在很多科幻电影里面的人工智能管家一样。路灯、垃圾筒、广告牌.到处都可能设置着无线入网的传感器，并形成了一张全时段多手段的立体监控网，比现在大街上的摄像头要强大得多，这会极大地提高隐匿成本，犯罪后想“大隐隐于市”将不再可能。那我们这些守法公民的隐私呢？5G时代监控数据的使用将是严格分级的，不相关人士

3、得不到你的行踪，信息安全是以用户为中心的全寿命周期主动防护，不是被动响应式和事后补救式，它会在后台默默地保护着你。OFDMOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation)，多载波调制的一种。OFDM技术由MCM（Multi-Carrier Modulation，多载波调制）发展而来。OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。在通信系统中，信道所能提供的带宽

4、通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。OFDM主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。OFDM技术是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规

5、范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。基本原理通常的数字调制都是在单个载波上进行，如PSK、QAM等。这种单载波的调制方法易发生码间干扰而增加误码率，而且在多径传播的环境中因受瑞利衰落的影响而会造成突发误码。若将高速率的串行数据转换为若干低速率数据流，每个低速数据流对应一个载波进行调制，组成一个多载波的同时调制的并行传输系统。这样将总的信号带宽划分为N个互不重叠的子通道(频带小于f)，N个子通道进行正交频分多重

6、调制，就可克服上述单载波串行数据系统的缺陷。在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。包括以下类型：V-OFDM, W-OFDM, F-OFDM, MIMO-OFDM,多带-OFDM。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。在OFDM传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期

7、相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。在过去的频分复用(FDM)系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点，OFDM采用N个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。OFDM系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调。对于

8、N点的IFFT运算，需要实施N2次复数乘法，而采用常见的基于2的IFFT算法，其复数乘法仅为（N/2）log2N，可显著降低运算复杂度。在OFDM系统的发射端加入保护间隔，主要是为了消除多径所造成的ISI。其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀，以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI。由于OFDM技术有较强的抗ISI能力以及高频谱效率，2001年开始应用于光通信中，相当多的研究表明了该技术在光通信中的可行性。发展历史20世纪70年代，韦斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变

9、换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT）研制了一个完整的多载波传输系统，叫做正交频分复用（OFDM）系统。OFDM是一种特殊的多载波传输方案。OFDM应用DFT和其逆变换IDFT方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题。应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低。从此OFDM技术开始走向实用。但是应用OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程，而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件，因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。近些年来，集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展，以及对无线通信高速率要求的日趋迫切，OFDM技术再

10、次受到了重视。在20世纪60年代已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念。1970年美国申请和发明了一个专利，其思想是采用平行的数据和子信道相互重叠的频分复用来消除对高速均衡的依赖，用于抵制冲激噪声和多径失真，而能充分利用带宽。这项技术最初主要用于军事通信系统。但在以后相当长的一段时间，OFDM理论迈向实践的脚步放缓了。由于OFDM各个子载波之间相互正交，采用FFT实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为OFDM技术实现的制约条件。在二十世纪80年代，MCM获得了突破性进展，大规模集成电路让FFT

11、技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此，OFDM走上了通信的舞台，逐步迈向高速数字移动通信的领域。80年代后，OFDM的调整技术再一次成为研究热点。例如，在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调整技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。进入90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频和单边带（SSB）信道进行高速数据通信，陆地移动通信，高速数字用户环路(HDSL)，非对称数字用户环路(ADSL)及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统。1999年，IEEE802.11a通过

12、了一个SGHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达54MbPs。这样，可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信组织(ETsl)的宽带射频接入网的局域网标准HiperiLAN2也把OFDM定为它的调制标准技术。OFDM技术的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。但是OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到20世纪70年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。

13、80年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入90年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。由于OFDM的频率利用率最高，又适用于FFT算法处理，近年来在多种系统得到成功的应用，在理论和技术上已经成熟。因此，3GPP/3GPP2成员多数推荐OFDM作为第四代移动通讯无线接入技术之一。目前，OFDM技术在4G LTE技术中已得到使用，是LTE三大关键技术之一，预计在5G仍然作为主要的调制方式。基本模型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，其基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的

14、子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。在组帧时，须加入同步序列

15、和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。FDM/FDMA（频分复用/多址）技术其实是传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔（图（a）所示），大大降低了频谱效率。因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和C

16、DM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。近几年由于数字调制技术FFT的发展，使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性（以避免子载波之间干扰）。如图（b）所示，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。应用情况在20世纪90年代，OFDM广泛用于各种数字传输和通信中，如移动无线FM信道，高比特率数字用户线系统(HDSL)，不对称数字用户线系统(ADSL)，甚高比特率数字用户线系统(HDSI)，数字音频广播(DAB)系统，数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统。2001年，IEEE802.1

17、6通过了无线城域网标准，该标准根据使用频段的不同，具体可分为视距和非视距两种。其中，使用211GHz许可和免许可频段，由于在该频段波长较长，适合非视距传播，此时系统会存在较强的多径效应，而在免许可频段还存在干扰问题，所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM调制，多址方式为OFDMA。2006年2月，IEEE802.16e形成了最终的出版物，采用的调制方式仍然是OFDM。2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过被称为Long Term Evolution (LTE)即“3G长期演进”的立项工作。项目以制定3G演进型系统技术规

18、范作为目标。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM，上行SC(单载波)FDMA。OFDM由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识。而上行技术的选择上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，一些则认为可以通过滤波，削峰等方法限制峰均比。不过，经过讨论后，最后上行还是采用了SC-FDMA方式。拥有我国自主知识产权的3G标准TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD-CDM-OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目标，并希望在2010年予以实现。B3G/4G

19、的目标是在高速移动环境下支持高达100Mb/S的下行数据传输速率，在室内和静止环境下支持高达IGb/S的下行数据传输速率。而OFDM技术也将扮演重要的角色。下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求：用户速率在准静止(低速移动和固定)情况下达20Mbit/s，在高速移动情况下达2Mbit/s；量要达到第三代系统的5-10倍，传输质量相当于甚至优于第三代系统；条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统；具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量；网络的每比特成本要比第三代低。 在功能方面主要有以下要求：支持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等；实现与固定网或专用网的无缝化连接；能通过中间件

20、支持和开通多种多样的IP业务；能提供用户定义的个性化服务；按服务级别收费。由于信道传输特性不理想，各类无线和移动通信中普遍存在着符号间干扰(ISI)。通常采用自适应均衡器来加以克服，但是，在高速数字通信系统中，为了保证克服ISI，往往要求均衡器的抽头数很大，尤其是城市环境可能使得均衡器的抽头数达上百。这样，必然大大增加了均衡器的复杂程度，使设备造价和成本大大提高。为了能在下一代移动通信中有效解决这一问题，OFDM技术因其频谱利用率高和抗多径衰落性能好而被普遍看好，以取代复杂而昂贵的自适应均衡器。近年来，由于DSP技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。

21、OFDM技术的主要思想是：将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。与下一代移动通信系统有关的OFDM系统关键系统技术有：OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，主要的应用包括：非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。与其他载波调制方式的比较一）固定频率在一个特定的频段范围（通常非常窄）内传播信号的方式。通过此方式传输的信号通常要求高功率的信号发射器并且获得使用许可。如果遇到较强的干扰，信道内或者附近的固定频率

22、发射器将受到影响。对于许可证的要求就是为了减少相邻的系统在使用相同的信道时产生的干扰。（二）跳频扩频使用被发射器和接收器都知晓的伪随机序列，在很多频率信道内快速跳变以发射无线电信号。FHSS有较强的抗干扰能力，一旦信号在某信道中受阻，它将迅速再下一跳中重新发送信号。（三）直接序列扩频在设备的特定的发射频率内以广播形式发射信号。用户数据在空间传送之前，先附加“扩频码”，实现扩频传输。接收器在解调制的过程中将干扰剔除。在去除扩频码、提取有效信号时，噪声信号同时剔除。（四）正交频分复用同时在多个子载波频率上以广播形式发射信号。每个子载波的带宽都很窄，可以承载高速数据信号。OFDM适用于严酷的信道条件

23、。由于OFDM具有较高的复杂度，有很多方式来抗干扰。对窄带干扰的抗干扰能力也不错，因为大量的正交的子载波和与DSSS相似的信道编码机制。MIMO（多入多出技术）MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。MIMO技术最早是由马可尼于1908年提出的，它利用发射端的多个天线各自独立发送信号

24、，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息，就可以实现以更小的代价达到更高的用户速率。原理发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去，接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。根据空时映射方法的不同，MIMO技术大致可以分为两类：空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用一根发射天线n 根接收天线，发送信号通过n 个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为

25、n 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n 根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时分组码（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技术。STBC是基于发送分集的一种重要编码形式，其中最基本的是针对二天线设计的Alamouti方案。可以发现STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天线上面要传输的信号矢量相互正交，如图2-19中x 1和x 2的内积为0，这时接收端就可以利用发送端信号矢量的正交性恢复出发送的数据信

26、号。使用STBC技术，能够达到满分集的效果，即在具有M根发射天线N 根接收天线的系统中采用STBC技术时最大分集增益为MN。波束成形技术是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效提高天线增益。为了能够最大化指向用户的波束的信号强度，通常波束成形技术需要计算各个发射天线上发送数据的相位和功率，也称之威波束成形矢量。常见的波束成形矢量计算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根发射天线采用波束成形技术可以获得的最大发送分集增益为M。空间复用技术是将要传送的数据可以分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。常用的空间复用方法是贝尔实验室提

27、出的垂直分层空时码，即V-BLAST技术。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统是一项运用于802.11n的核心技术。802.11n是IEEE继802.11bag后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。同时，专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(M

28、ultiple-Input Single-Output)系统。优点无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出（SISO）的系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。MIMO 技术的应用，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增加无线系统的覆盖范围。提高信道的容量：MIMO接入点到MIMO客户端之间，可以同时发送和接收多个空间流，信道容量可以随着天线数量的增大而线性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地

29、提高。提高信道的可靠性：利用MIMO信道提供的空间复用增益及空间分集增益，可以利用多天线来抑制信道衰落。多天线系统的应用，使得并行数据流可以同时传送，可以显著克服信道的衰落，降低误码率。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。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

30、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，则多入多出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。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：C=min(M,N)Blog2(/

31、2)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，多入多出系统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。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。MIMO应用无线宽带移动通信：为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成MIMO通信链路。应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类：一类

32、是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区，这一类可以称为集中式MIMO；另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区，可以称为分布式MIMO。传统蜂窝移动通信系统：MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列。基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行MIMO通信。从系统结构的角度看，这样的MIMO系统与传统的单入单出(SISO)蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。和传统的分布式天线系统相结合：传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损耗，能够在小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角，提高通信服务质

33、量。最近在MIMO技术的研究中发现，传统的分布式天线系统与MIMO技术相结合可以提高系统容量，这种新的分布式MIMO系统结构分布式无线通信系统(DWCS)成为MIMO技术的重要研究热点。在采用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接。具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信，与基站建立了MIMO通信链路。这样的系统结构不仅具备了传统的分布式天线系统的优势，减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过MIMO技术显著提高了信道容量。与集中式MIMO相比，DWCS的基站天线之间距离较远，不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容量更大

34、。总体上说，分布式MIMO系统的信道容量更大，系统功耗更小，系统覆盖性能更好，系统具有更好的扩展性和灵活性。分布式MIMO的DWCS系统也带来了一些新问题。移动台和小区内邻近的天线建立的MIMO链路，由于基站不同天线的位置不同，它们距离移动台的距离不同，使得基站端的多个天线的信号到达移动台的延时也不同，因此带来新的研究问题。目前在这方面研究较多的是进行容量分析。除此之外的研究内容还包括：具体的同步技术、信道估计、天线选择、发射方案、信号检测技术等，这些问题有待深入研究。无线通信领域：MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信

35、系统。在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容，B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中，正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中，如超宽带(UWB)系统、感知无线电系统(CR)，都在考虑应用MIMO技术。随着使用天线数目的增加，MIMO技术实现的复杂度大幅度增高，从而限制了天线的使用数目，不能充分发挥MIMO技术的优势。目前，如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度，成为业界面对的巨大挑战。雷达领域：MIMO技

36、术同样也应用于雷达领域，主要通过多个天线发射不同的正交波形，同时覆盖较大空域，并利用长时间相干积累来获得较高的信噪比。MIMO技术MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。1开环发射分集当终端处于无线信号质量较差的场景或终端移动速度较快时，及时准确地掌握下行信道的质量状况较为困难，这时

37、使用开环发射分集技术可以有效对抗信道衰落，提高接收端的信噪比。开环发射分集工作方式采用单码字传输，也就是将一路数据流同时映射到2层或者4层进行传输，在接收端将多个发射天线的信号进行合并处理获得额外分集增益，具体的层映射过程参见下行链路传输技术中的物理信道处理。在LTE系统中，下行链路使用OFDM技术，因此为了适应频域信号处理的要求而采用了SFTD（SpaceFrequencyTransmitDiversity，空频发射分集）工作方式。SFTD基于SFBC（SpaceFrequencyBlockCoding，空频块编码）技术。对于Alamouti编码，一个缺点是当发射天线数目大于2时，理论上证明

38、不存在正交的可用于全速率传输的编码方式，因此对于4天线开环发射分集，采用了结合SFTD和FSTD（FrequencySwitchTransmitDiversity，频率交换发射分集）的工作方式（如图8所示），实际上是将4个天线分为两组，分别为第一组天线（天线端口0、2）和第二组天线（天线端口1、3），每组天线内采用SFTD工作方式，天线组间采用FSTD工作方式。采用这种在天线间交织的工作方式，主要原因是天线端口0、1的参考信号密度较大，天线端口2、3的参考信号密度较小，使用天线分组交织的工作方式可以保证两组SFBC码块有较平衡的解码性能。开环发射分集预编码过程具体方案可以参见下行链路传输技术中

39、的物理信道处理。2空间复用当终端处于无线信号质量较好且存在丰富的多径资源的场景时，则可以在MIMO系统的不同信道间共享高信噪比，为用户提供并行传输多路数据的服务，有效提高单用户的数据吞吐率和系统的吞吐量。假设MIMO系统中发射机有NT个发射天线，接收机有NR个接收天线，根据多天线理论可以知道，接收端的信噪比与单天线传输相比最大可以提高NT×NR倍，因此在功率和带宽不受限的条件下用户的数据传输速率可以得到显著提高。式（4）为单天线系统中的信道容量理论计算方法，当信噪比提高NT×NR倍时，利用原有的传输带宽，可以近似认为信道容量提高log2(NT×NR)倍。在实际应用

40、时，MIMO信道数量可能会少于发射端或接收端最少天线数目，假设为M，MminNT，NR，则实际MIMO系统的信道容量可以参考式5的计算方法。3GPPR8/R9版本标准中制定了3种空间复用工作方式，分别是大延迟CCD空间复用、闭环空间复用和单层闭环空间复用。下面分别进行简单的介绍。3大延迟CDD空间复用大延迟CDD空间复用技术是将CDD（CyclicDelayDiversity，循环延迟分集）技术和空间复用技术进行组合应用。CDD技术可以认为是分集技术的一种，通过在不同的天线端口人为增加不同的时延，相当于进行了信道无关的频率选择性预编码。这样的预编码可以使传输信号和实际信道匹配得较好，从而有效提

41、高接收端信噪比，但也有可能使传输信号与信道矩阵失配而降低接收端信噪比，所以CDD技术的性能和时延的选择有直接关系。LTE系统中采用支持较大延迟的CDD技术，保证在一定的传输带宽内能够实现较大的信噪比变化，使得各层的信号能够有相近的信道质量，如果终端侧使用MMSE接收机就能够获得一定增益。大延迟CDD空间复用技术采用双码字传输，也就是两路不同的数据流同时映射到24层进行传输，高信噪比保证了使用多码字时的传输质量，有效提高了数据传输速率。具体层映射过程参见下行链路传输技术中的物理信道处理。大延迟CDD空间复用技术的预编码过程见式（6）。其中W是基于码本的预编码矩阵。因为大延迟CDD空间复用是一种开环空间复用，也就是终端反馈时可以反馈CQI（ChannelQualityIndicator，信道质量指示）和RI（RankIndicator，秩指示）信息，但不反馈PMI（PrecodingMatrixIndicator，预编码矩阵指示）信息，因此预编码矩阵W是由网络侧进行选择的。D是延时矩阵，U是单位矩阵，通过D和U矩阵可以实现不同层信号间的均衡。W、D和U矩阵的具体取值参考下行链路传输技术中的物理信道处理。4闭环空间复用闭环空间复用可以采用单码字或双码字传输。单码字传输对应模式6，也就是单层闭环空间复用技术。双码字传输对