G无线通信中的MIMOOFDM

4G无线通信中的MIMO-OFDM技术一、引言

目前没有第四代移动通信的确切定义，但比较认同的解释是：“第四代移动通信的概念可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的和超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作的广播网络和卫星系统等。此外，第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s甚至更高，也是宽带接入IP系统”。简单而言，4G是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路。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，另外，OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此充分开发这两种技术的潜力,将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案，下面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。

二、MIMO技术

MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）系统示意图如图1所示，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。MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量（如差错率）或提高通信效率（如数据速率）。MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素，然而对于MIMO来说，多径可以作为一个有利因素加以利用，MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，MIMO技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因此它能够在不增加所占用的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。假定发送端有N个发送天线，有M个接收天线，在收发天线之间形成M×N信道矩阵H，在某一时刻t，信道矩阵为：

其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。对于信道矩阵参数确定的MIMO信道，假定发送端不知道信道信息，总的发送功率为，与发送天线的数量M无关；接收端的噪声用N×1向量n表示，是独立零均值高斯复变量，各个接收天线的噪声功率均为；发送功率平均分配到每一个发送天线上，则容量公式为：

令M不变，增大N，使得，这时可以得到容量的近似表达式：

从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用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提高。利用MIMO技术可以成倍提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。

图1MIMO系统框图

三、OFDM技术

根据多径信道在频域中表现出来的频率选择性衰落特性，提出正交频分复用的调制技术。如图2所示，正交频分复用的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输，在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立传输。如果每个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的，即每个子信道都可看作无符号间干扰（ISI）的理想信道，这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地解调。在OFDM系统中，在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，消除OFDM符号之间的干扰。

但是要注意，在发送端实际发送1个OFDM时域序列的长度为Nd+Nc，Nd是一个OFDM符号能够传送的频域符号数，加在前面长度为Nc的序列称为循环前缀（CyclicPrefix）或防护间隔（GuardInterval），利用它使得前—OFDM符号对当前OFDM符号的干扰只影响到循环前缀部分，不会对当前OFDM符号造成影响，这就有效地消除了OFDM符号之间的干扰（ISI）。引入循环前缀会使系统的传输效率有所下降，但这是为保证OFDM子载波之间的正交性和消除OFDM符号间干扰所必须付出的代价。OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：（1）频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。（2）抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。玻无禽（3恋）采柏用动痒态子看载波夫分配块技术若能使薄系统绿达到漫最大裳比特幸率。原通过破选取重各子庆信道独，每纲个符刷号的议比特冻数以罗及分油配给商各子绳信道辣的功蜜率使条总比哗特率铅最大怨。即融要求委各子奖信道者信息拆分配武应遵萌循信变息论游中的晓“注趋水定泽理”话，亦谷即牵优质谈信道卷多传障送，嗽较差窗信道尝少传泳送，饲劣质丧信道影不传朝送的仓原则决。脏致纵（4漂）通稀过各慨子载骂波的犁联合箩编码兔，可射具有塘很强协的抗献衰落商能力况。齿OF霞DM叫技术荣本身猜已经鞋利用下了信免道的截频率敏分集熊，如脉果衰属落不哲是特乌别严爪重，蜘就没猎有必痛要再列加时次域均只衡器治。但牲通过怎将各氏个信夕道联洁合编晨码，鹿可以要使系留统性城能得村到提嘱高。稿嘴殿（5汇）基区于离再散傅烤立叶宵变换肃（D扒FT党）的熟OF育DM溜有快减速算降法，法OF牛DM抽采用双IF迷FT驶和F腊FT添来实勒现调馒制和股解调乳，易肤用D磨SP源实现誉。腰毅晃图2写O姨FD猾M系坦统框泪图拴京赖四、榆MI安MO止与O肥FD朵M的销结合骄MI交MO哭系统恋在一范定程与度上芳可以肚利用博传播请中多悟径分立量，买也就夕是说执MI锁MO隆可以涝抗多造径衰蓝落，岩但是侄对于猎频率洲选择少性深到衰落罩，M宋IM腥O系线统依瞧然是龙无能注为力嘴。糟目前圾解决梯MI西MO详系统非中的岂频率屈选择摔性衰颂落的赤方案圈一般液是利屈用均恒衡技穴术，伴还有乱一种三是利送用O慌FD昼M。陆大多层数研堪究人窑员认味为O爬FD梦M技掉术是宏4G歇的核筛心技鞋术，奏4G宴需要截极高开频谱障利用造率的贫技术如，而蜘OF止DM游提高蛙频谱半利用束率的剥作用格毕竟召是有况限的聪，在志OF蝇DM孟的基棉础上铃合理朱开发披空间黎资源济，也徒就是愤MI宴MO文-O狠FD缓M，悦可以戒提供萌更高的的数洗据传聪输速惭率。绪另外赠OD禾FM缝由于酸码率申低和现加入暮了时拣间保疤护间醉隔而僚具有拌极强跌的抗令多径雹干扰哨能力净。由城于多结径时页延小黎于保漠护间考隔，渠所以偿系统关不受眉码间校干扰慎的困饿扰，杠这就跳允许既单频得网络疫（S浮FN坛）可孩以用超于宽姿带O剥FD桥M系章统，椅依靠遇多天杠线来止实现抚，即暑采用殊由大凡量低替功率猴发射灵机组哈成的复发射添机阵刑列消削除阴缓影效溉应，校来实粱现完私全覆盗盖。鸽下面勇给出港MI妙MO朗-O孙FD注M的驰结合肤方案驻。绣府窃图3足M走IM湖O-含OF稳DM矛系统榆框图划稳办在本丑方案闯中的盖数据胁进行可两次稳串并机转换右，首为先将怜数据筑分成庄N个坏并行胀数据拳流，泉将这视N个杆数据吓流中姑的第遗n（菜n∈嚼[1窑，N玻]）争个数膏据流泄进行克第二侍次串抗并转轨换成荣L个铅并行场数据波流，驶分别盈对应封L个矮子载僻波，勉将这扫L个君并行挥数据肢流进为行I既FF绞T变脸换，轰将信淡号从况频域爬转换调到时关域，轿然后朵从第撒n（勉n∈智[1斥，N框]）齐个天铲线上伶发送统出去役。这熄样共远有N严L个搭M-衡QA刷M符锄号被皆发送跳。整破个M舞IM采O系教统假兽定具促有N等个发费送天腐线，刻M个也接收暗天线幻。在候接收宴端第拥m（定m∈劲[1插，M衡]）于个天遥线接版收到堤的第率l个牢子载劝波的举接收煤信号堵为：途持拌其中柔Hm件,n特,l诸是第棕l鞠个子论载波摸频率北上的奉从第庙n个约发送遇天线步到第街m个授接收量天线梳之间萍的信寿道矩月阵，示并且潜假定饮该信稳道矩梦阵在追接收减端是日已知燕的，遗Cn钞,l捧是第溜个子斯载波氧频率置上的或从第涌n个偷发送筛天线烧发送宰的符押号，衬ηm智,l呜是第榆l个汤子载套波频岩率上倦的从召第m刑个接芬收天直线接喜收到缸的高丈斯白括噪声眯。这上样在鬼接收盖端接皱收到筛的第义l个公子载头波频巾率上状的N乓个符拢号可锁以通拦过V言-B底LA率ST款算法鲜进行成解译麦码，旋重复洋进行唯L次织以后迟，N械L个鞋M-嗓QA借M符传号可贷以被赠恢复送。晃党齿4.师1M锯IM架O-咏OF药DM垒的信狐道估番计程昂物在一缩个传垄输分辨集的盗OF嚷DM渠系统侦中，贫只有话在收葬端有聋很好殊的信内道信革息时惜，空嫁时码津才能洁进行幅有效信的解响码。型估计呜信道此参数叼的难绒度在踢于，膊对于定每一阁个天溉线每年一个榆子载流波都孤对应去多个毕信道生参数稻。但富好在蛾对于斥不同穿的子畏载波臭，同益一空裙分信慕道的的参数俩是相析关的染。根德据这坊一相元关性季，可学以得扛到参脾数的蝴估计桥方法别。虹MI箭MO针-O者FD坚M系置统信凯道估耳计方炎法一暖般有正三种趁：非衔盲信剑道估锋计、袜盲信伶道估静计和亮半盲觉信道充估计廉。贱下面们分别映对这汉三种派信道雄估计迅方法语进行稼简单不介绍钻。咽络闷4蝴.1按.1叶非盲等信道戚估计满街车非盲渐信道注估计葛是通子过在设发送饿端发为送导凯频信美号或路训练怪序列仿，接翻收端叙根据绒所接秃收的雅信号食估计求出导辰频处碑或训炭练序飞列处泄的信猾道参柴数，今然后求根据便导频秤或训拍练序抽列处拒的信得道参液数得腿到数勿据信略号处疲的信易道参禾数。惭当信潜道为不时变淡信道汗时，捞即使啦是慢耀时变斯信道奉，也除必须抢周期互性的寇发射怎训练改序列蛮，以悉便及港时更鞭新信尖道估皮计。种这类塞方法伤的好软处是络估计扰误差怒小，牙收敛头速度孔快，荡不足岔是由倘于发默送导押频或杏训练屋序列驾而浪牛费了迫一定特的系穴统资报源。咏薯家4.骑1.床2盲辆信道杠估计北擦冬盲信允道估狮计是欢利用骂信道仆的输碌出以布及与喉输入开有关属的统喊计信邀息，付在无饮需知析道导衬频或滋训练粘序列铃的情颂况下锐估计炕信道泽参数产。其压好处四是传拴输效福率高勿，不猜足是坚鲁棒直性相敞对较歌差、厌收敛巩速度瑞慢，锯而且咳运算亿量较卧大。晋同称4.厨1.翻3半喜盲信局道估待计渡库缴半盲蝇信道裂估计紧是在牢盲信沾道估严计的吹基础租上发林展起辟来的言，它产利用地尽量察少的芝导频燥信号显或训持练序轨列来刘确定形盲信贡道估情计算必法所览需的嚼初始财值，跑然后坦利用擦盲信尚道估物计算拾法进棕行跟狡踪、胆优化雾，获世得信裤道参把数。垄由于唤盲信便道算捞法运技算复份杂度闻较高殊，目训前还室存在众很多肠问题纤，难船以实揭用化经。而诊半盲鸦信道呢估计听算法故有望柴在非攻盲算尊法和映盲算钥法的卖基础兼上进染行折豆衷处洒理，旁从而唱降低卖运算滚复杂邀度。涛可以今预计捡，对曾盲及邮半盲啄信道庙估计染的研筋究将童成为塘MI逼MO驻-O凶FD淹M信闹道估铜计研除究的匪热点困。抖五、灯结束榨语闻忌休在未土来的挂宽带熔无线扣通信料系统法中存颜在两吨个最约严峻裁的挑填战：尚多径组衰落利信道冰和带贫宽效坟率。剧OF狠DM坟将频绕率选蒜择性帅多径渣衰落旋信道脏在频旋域内像转换拜为平着坦信皱道，重减小乘了多候径衰慢落的罪影响摘，而部MI荷MO注技术器能够钟在空项间中感产生辅独立妻的并惊行信滋道同快时传灰输多练路数搁据流女，这聚样就葛有效嫩地提拔高了缘系统琴的传芹输速答率，谱即在痒不增畜加系疾统带姥宽的盛情况闭下增仔加频轻谱效亲率。浙这样指，将炮OF页DM杰和M蛛IM府O两推种技侵术相勤结合险就能粪达到扭两种乳效果免：一氏种是纹实现喉很高互的传妻输速经率，启另一木种是滴通过记分集猴实现连很强低的可念靠性缎，同铅时，周在M寺IM呼O-筒OF介DM正中加却入合莫适的器数字