MIMO-OFDM系统报告

1、MIMO-OFDM通信系统的原理与仿真组员：张浩元，周龙，韩浦霞，王雪， 孙万飞，邱会丽，李凯2015年11月5日课题研究背景及意义 随着信息时代的到来，信息的交流与传递越来越受到人们的重视。而为了能随时随地，及时可靠地进行信息交流以提高工作效率和经济效率，移动通信技术的产生和发展使之成为可能。到目前为止，移动通信系统共经历了四代的技术革新。第一代的典型代表是美国的AMPS（高级移动电话系统）和后来改进型的TACS（总接入通信系统）等，主要特点采用频分复用，语音信号为模拟调制。第二代为以GSM（泛欧数字移动通信网）和IS-95为代表的数字移动通信体系，主要以传输话音和低速率数据业务为目的，而为

2、了解决中速数据传输问题，还出现了2.5代如GPRS和IS-95B。第三代移动通信则是覆盖全球的多媒体移动通信，以CDMA（码分多址）为技术基础，可实现全球漫游，是任意时间，任意地点任，意任意人之间的交流成为可能。第四代也就是目前已经开始投入使用的最新的的通信系统，是多功能集成的宽带移动通信系统，比第三代更接近于个人通信，而MIMO-OFDM正是第四代移动通信系统所采用的一项先进技术，该技术的应用对提高整个系统的效率和可靠性有着举足轻重的意义，因此本课题以MIMO-OFDM通信系统的原理为研究对象。目录MIMO-OFDM系统概述MIMO-OFDM系统峰值平均功率比MIMO系统的容量MIMO-OF

3、DM系统的信道估计MIMO-OFDM系统自适应 MIMO- OFDM系统概述OFDM系统MIMO系统MIMO-OFDM系统概述MIMO系统的介绍系统的介绍 传统的无线通信系统是采用一个发送天线和一个接收天线的通信系统，即所谓的单输入单输出（SISO）天线系统。但是由于香农容量限制使得SISO系统的信道容量有着无法突破的瓶颈，因此为了有效提高系统容量，从不同角度入手有着不同的方法，而综合考虑代价和可行性，近年来提出了在收发两端同时采用阵列天线的系统，具体即发送端天线采用阵列结构，接收端使用多元天线来获得接收分集，该系统即为多输入多输出(MIMO)系统。 下图是一个MIMO系统的基本框图，从下图可

4、以看出，MIMO技术在发射端和接收端都采用了像空间多元感应器一样的多元天线阵列，这样可以从散射的空间无线信道中分别解调出标记有不同空间特性的空间分量，好像在一条道路上开辟出具有不同功能的互不干扰的通道，把这种解调技术获得的增益称为“空间分集增益”。MIMO系统结构框架图MIMO系统的优缺点 （1）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。 （2）在不增加带宽和天线发送功率的情况下，可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，频谱利用率可以成倍地提高。 （3）利用MIMO技术可以提高信道的可靠性，降低误码率。MIMO系统的优缺点 （1）空间相关 （2

5、）空间干扰 由于MIMO技术能够在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，同时在通信距离、吞吐量和可靠性方面较单天线系统具有明显的优势，因此目前在无限局域网、无线城域网和移动通信中受到青睐。OFDM系统的介绍系统的介绍 OFDM(正交频分复用)是一种特殊的多载波传输方案，可以看做是一种调制技术，也可以看做是一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流将具有低的多的比特速率，用这样的低比特速率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波就能构成多个低速率符号并行发送的传输系统。与传统的FDM（频分复用）多载波调制技术相比，OFDM的最大特点是各子载波相互正交，

6、所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，减小了子载波间的相互干扰的同时还大大提高了频谱利用率。 OFDM的基本原理图如下图所示：OFDM系统结构框架图OFDM系统的优缺点 （1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据； （2）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化； （3）该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信； （4） OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区； （5） OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰； （6） 可以有效地对抗信

7、号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输； （7） 通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力； （8） OFDM技术抗窄带干扰性很强； （9） 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法； （10）信道利用率很高。OFDM系统的优缺点 （1）对相位噪声和载波频偏十分敏感； （2）峰均比过大； （3）所需线性范围宽。MIMO-OFDM系统概述MIMO-OFDM系统组合的必要性 在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号传输过程中必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落，因而被视为有害因素。然而MIMO系统是针对多径无线信道而产生的，在一定

8、程度上可以利用传播过程中产生的多径分量，多径效应对其影响并不大，反而可以作为一个有利因素加以使用。但MIMO对于频率选择性衰落仍无法避免，而解决频率选择性衰落问题恰恰正是OFDM的一个长处。MIMO-OFDM系统概述MIMO-OFDM系统组合的必要性 OFDM技术实质上是一种多载波窄带调制，可以将宽带信道转化成若干个平坦的窄带子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的频率选择性衰落可以看作是平坦性衰落。 OFDM被认为是第四代移动通信中的核心技术，然而4G需要高的频谱利用技术和高速传输系统，为了进一步提高系统传输速率，使用OFDM技术的无线通信网就必须增加载波的数量，

9、而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的占用带宽。而MIMO多天线技术能在不增加带宽的情况下，在每一个窄带平坦子信道上获得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系统的容量和频谱效率，是一种利用空间资源换取频谱资源的技术。MIMO-OFDM系统概述MIMO-OFDM系统组合的必要性 因此MIMO-OFDM系统的提出是无线通信领域的重大突破，其频谱利用率高、信号传输稳定、高传输速率等基本特性能够满足下一代无线传输网发展要求。MIMO-OFDM系统内组合了多输入和多输出天线和正交频分复用调制两大关键技术。这种系统通过空间复用技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过空时分集和正交频分复用达到很强的

10、可靠性和频谱利用率。MIMO-OFDM系统的介绍系统的介绍MIMO-OFDM系统基本结构如下图所示： MIMO-OFDM系统峰值平均功率比MIMO-OFDM系统峰值平均功率比 OFDM技术与MIMO技术结合产生的MIMO-OFDM技术实现了两者性能上的优势互补,但作为多载波系统,MIMO-OFDM同样面临着峰均功率比PAPR (Peak to Average Power Ratio)过高的问题。过高的PAPR值,会使信号通过功率放大器、数模转换器等器件时产生非线性失真,在子信道间引入破坏正交性的谐波干扰，进而改变信号频谱,最后使系统性能恶化。因此，在考虑当前系统物理性能成本时，能有效降低MIM

11、O-OFDM系统信号PAPR的技术具有重大实际意义与应用价值。对于OFDM系统已有的PAPR降低算法,基本可归为信号畸变类技术、概率类技术、编码类技术三大类。峰均比问题的由来 OFDM系统采用多载波传输方式，在时域上OFDM信号为N个独立调制的正交子载波信号的叠加。当N个子载波相位一致，以同相求和时，就会造成很大的峰值出现，这正是OFDM系统具有高PAPR的主要原因。由中心极限定理可知，当子载波数比较大时，OFDM信号的实部和虚部近似高斯分布，其振幅大小将趋于瑞利分布，其包络具有不稳定性。极高的PAPR会导致OFDM信号经过非线性放大器时，容易超过器件线性范围，则会引起OFDM信号失真，明显地

12、产生带内失真和带外辐射，从而导致系统误码率的快速升高。所以，OFDM信号的峰均比的大小，对OFDM系统性能产生直接的影响。对于多载波传输系统而言，峰均比主要决定于子载波的个数，随子载波个数的增加而增大，而对所采用的调制方式并不敏感。OFDM系统峰均比的定义在OFDM系统中, 经过IFFT运算之后得到的输出信号可以表示为：输出信号PAPR定义为：由于OFDM信号是由多个相互独立的子载波叠加而成的，这样的合成信号就有可能产生较大的PAPR。101exp( 2)1 NnkkkxXjnn NNN2102max| PAPR(dB)=10log E| nnnxxOFDM系统峰均比的定义在OFDM系统中,

13、经过IFFT运算之后得到的输出信号可以表示为：输出信号PAPR定义为：由于OFDM信号是由多个相互独立的子载波叠加而成的，这样的合成信号就有可能产生较大的PAPR。101exp( 2)1 NnkkkxXjnn NNN2102max| PAPR(dB)=10log E| nnnxxOFDM系统峰均比的测量互补累积分布函数(CCDF)： PAPR1 (1 e ) NrzPz过采样及过采样因子的选择PA PR1PA PR1 (1 e ) NrrzPzPzN个子载波的OFDM系统过采样信号PAPR的CCDF为：概率类技术 概率类技术并不是着眼于降低信号幅度的最大值，而是降低峰值出现的概率。一般的概率类

14、技术都将带来一定的信息冗余。这类技术主要包括选择性映射（SLM）方法、部分序列传输（PTS）方法、PS（Pulse Shaping）技术、TR（Tone Rejection）技术、TI（Tone Injection）技术、ACE技术，而这类方法中最具有代表性的是SLM方法和PTS方法。 概率类技术最基本的方法就是通过线性变换，如下式所示： Yn=AnXn+Bn 1nNSLM算法原理 OFDM系统内出现较大峰值功率信号的原因在于多个子载波信号的叠加。如果可以利用多个序列来表示同一组信息的传输，则在给定的PAPR门限值条件下，可以从中选择一组用于传输，这样就会显著减小峰值功率信号出现的概率。 SL

15、M的基本思想是用M个统计独立的矢量P(k)表示相同的信息，选择其时域符号x(k)具有最小PAPR值得一路用于传输。 SLM的原理框图如下所示SLM算法原理 假设存在M个不同的、长度为N的随机相位序列矢量，即 P(k)=P0(k)，P1(k)，PN-1(k)，k=1，2，M 可以利用这M个相位矢量分别与要发送的频域样值X进行点乘，则可以得到M个不同的输出序列X(k)，即 X(k)=X0(k)，X1(k)，XN-1(k)=X0P0(k)，X1P1(k)，XN-1PN-1(k) 然后对所得到的M个不同的输出序列X(k)分别实施IFFT计算，相应得到M个不同的时域序列x(k)=x0(k)，x1(k)，

16、xN-1(k)。SLM仿真当选择支路数不同时，SLM性能的仿真结果如下图所示：MIMO系统的容量MIMO系统容量研究背景 作为近年来无线通信领域的一项重大突破，在发射端和接收端都是用多根天线的多输入多数出（MIMO）技术，可以极大的提高通信系统的容量和传输速率，被视为第四代移动通信技术必须采用的关键技术，引起了石家各国学者的广泛关注。和传统的单输入单输出（SISO）系统相比较，MIMO系统发射端和和接收端都采用多根天线，这实现了多路信号的并行传输，提高了通信的速率和可靠性，但同时也导致了系统接收端每根接收天线收到的都是相互重叠的多路信号，如果是频率选择性信道，还存在不同时刻信号间的码间干扰。由

17、于多载波正交频分复用（OFDM）技术能够将高速的信息流分配到多个低速信道中并行传输，频率选择性衰落信道转化为若干并行的平坦衰落子信道，从而使信号对符号间干扰变得不敏感。 散射丰富的无线环境中，MIMO系统在不增加系统宽带和发射功率的情况下，能够利用多天线来抑制信道衰落，成倍的提高通信系统的容量。这是因为相对于单天线系统来说，多天线系统在理论上实现了多个并行并相互独立的信道，其中每个信息奥都可以达到单天线时的最大信道容量。此外，MIMO还可以利用收发之间的多条独立传输路径获得分集增益。理论研究表明，在接收天线数大于发射天线数的情况下，MIMO系统容量随发射天线数的增加而线性增长。相对于传统的SI

18、SO系统，MIMO系统容量的提高是相当可观的。非频率选择性信道下MIMO系统容量MIMO系统容量推导 在平坦衰落即非选择性衰落条件下，收发端均采用阵列天线。假设发射端有 个天线，接收端有 个天线，构成了一个（ , ）的MIMO天线系统。MIMO系统原理框图TNRNTNRN1122( )( )( )( )( )( )( )( )TRNNx ty tx ty tx ty txtyt散射介质非频率选择性信道下MIMO系统容量 在非频率选择性衰落条件下，MIMO系统信号输入、输出关系可以用下列矢量形式描述： 在信息论中，香农信道容量C定义为接收信号矢量 与发送信号矢量 之间的最大互信息量，即确定信道M

19、IMO系统的容量为： STENy yH H s sn n()m a x(;)fCIs ss sy y2()0maxlog det()ssTHSSSTrNTECbit s HzN NR RN NR RI IH HR RH H 发送端未知信道状态信息MIMO系统容量 在发送端未知信道状态信息的条件下，矢量S是独立统计的（也就是， ）,这意味着信号是独立的，在发送端各天线上功率是等功率分配的，则容量为SST TN NR RI I20logdet()RHSNTECNNI IH HH H系统容量仿真利用Matlab在发送端与接收端天线个数不同的情况下进行MIMO容量的仿真。MIMO-OFDM系统自适应M

20、IMO系统自适应研究背景 链路级自适应技术的基本思想就是自适应调节信号传输的参数来充分地利用当前信道环境，而通过自适应技术得到的系统的信道容量的增益是十分明显的。这种自适应技术已经被广泛地认为是无线通信系统中有效地提高频谱利用率的重要手段之一，并且已经在包括CDMA2000、WCDMA的第三代移动通信标准中使用。 一种理想的链路自适应算法能够根据当前的信道环境调节各种各样的信号传输参数。由于移动信道不同于有线信道，它的随机性非常强，因此其对应的概率统计模型也是针对不同的环境。信道的传播模型一般来说根据变化的尺度可分为两大类5:大尺度变化，包括路径损耗及其在均值附近的方差等；小尺度变化，反映了接

21、收到的信号在很短的距离或时间内由于多径衰落引起的快速变化的特性。对于带宽信号来说，这些快速变化的特性对应的是频率选择性衰落信道。MIMO系统自适应调制原则 自适应调制，顾名思义就是根据信道状况调整各个子载波的调制方式。简单地说，自适应调制的原理就是当信道条件好时，采用高阶的调制方式，当信道条件差时，采用低阶的调制方式。 自适应调制可以基于最大化信道容量或者最小化误比特率来选择调制方式。基于信道容量最优化的原则MIMO系统自适应调制原则-Fischer算法 Fischer算法不是以信道容量为依据来进行比特分配，它的优化准则是在维持恒定传输速率和给定总发射功率的前提下，使系统的误比特率性能达到最优。当所有子载波上误比特率相等时，系统的误比特率达到最小值。Fischer算法给出了比特分配的闭式解，它首先把各个子载波上的噪声功率值 存储下来，接下来就只需要进行一些加法和除数为整数的除法，因此它的复杂度较Chow 算法有了进一步的降低。其基本流程为 （1）初始化。首先必须已知各个子载波上的噪声方差 ，i