基于mimo-ofdm的无线通信技术

基于mimo-ofdm的无线通信技术

0mimo-ofd的基本原理未来的无线通信系统需要优雅的可靠度、高数据速度和高谱效率。在无线信道中实现这一目标仍面临许多问题。作为下一代移动通信的核心技术,多输入多输出(MIMO)技术和正交频分复用(OFDM)技术受到人们广泛的关注。其中MIMO技术利用多通道抑制信道衰落,在一定程度上可以利用传播过程中产生的多径分量,将多径作为有利因素加以利用,还可以成倍地提高衰落信道下的系统容量和频谱效率。但MIMO技术对于频率选择性深衰落依然是无能为力,而解决频率选择性衰落问题恰恰正是OFDM技术的一个长处。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。如果将OFDM和MIMO两种技术相结合,那么就能够实现数据的高速传输,并保证数据的可靠性。MIMO-OFDM技术将空间分集、频率分集以及时间分集有机地结合在一起,大大提高了无线通信中的信道容量和传输速率,并能有效的抵抗衰落、抑制干扰和噪声。本文介绍了无线通信系统中的MIMO-OFDM技术,阐述了MIMO-OFDM系统的基本原理与特点,并详细说明了MIMO-OFDM通信系统的关键技术:编解码技术、同步技术和信道估计技术。1信号的信号传输假设无线MMIO-OFDM通信系统有个N个发射天线和M个接收天线,总带宽为WHz,系统有K个子载波,系统组成框图如图1所示。在发射端,经信源编码之后的信息比特流先经过QPSK或者QAM调制,进入MIMO编码器进行编码,将Ns个信息符号编码成一个形如KT×N大小的码字矩阵C(在T个OFDM符号时间周期内),具体形式为式中:代表表从第j个发射天线发送的第i个OFDM符号。然后在每个OFDM符号前加上循环前缀,将其送至发射天线处发送出去。信号通过MIMO信道传输,在这里我们假定使用抽头延时线模型表示它的信道冲击响应,发射天线i到接收天线j的信道冲击响应可表示为:式中:L为非零节点数,表示信道有L个独立的多径数,τt为第l径的延时,ai,j(l)为发射天线i到接收天线j的第l径的复衰落系数。ai,j(l)为零均值、复高斯分布的随机变量,其方差,L径的功率经过归一化,满足。多径信道的频率响应Hi,j(f)可以表示为信道复衰落系数ai,j(l)的离散傅里叶变换我们假设MIMO信道空域不相关,即不同径之间的衰落系数ai,j(l)相互独立。在接收端,将收到的信号进行OFDM解调,去除循环前缀,再经过FTF变换,则对每个接收天线j,j=1,2,…,M,第t个符号传输间隔,t=1,2,…,T的输出为:式中:是发射天线i到接收天线j之间的信道在第t个符号传输间隔时的频率响应。nj(t)代表接收天线j在第t个符号传输间隔时的复高斯白噪声,均值为零,总方差为1。对不同的j,nj(t)是不相关的。ρ=Pr/N0是接收天线上的平均信噪比。然后将此频域信号送至MMIO检测模块,根据具体的编码方案作相应的译码判决,最后经过与发射端相对应的解符号映射和信道译码后,得到原始的比特流。1.2信道容量近似MIMO-OFDM通信系统将多径信道与发射端、接收端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。假定信道为独立的瑞利衰落信道,并设N、M很大,则信道容量可近似表示为:式中:M,N分别为接收天线数和发射天线数,W为信道带宽,ρ=pr/N0为接收端平均信噪比,min(N,M)为M,N的较小者。上式表明,在系统功率和带宽固定时,MI-MO-OFDM系统的最大容量随最小天线数的增加而线性增加。1.3信号增益的估计MIMO-OFDM通信系统可以利用使用MIMO发射接收端获取分集增益而不牺牲频谱效率,通过编码冗余在信道中传送编码增益,因此在衰落信道中分集增益和编码增益都可用。虽然分集和编码都能改进系统性能,但这两种增益的本质不同。在衰落信道较高信噪比时同时使用编码和分集的MIMO-OFDM系统的误符号率可近似为式中:c是系统调制和无线信道特性所特定的比例常量,γc(γc≥1)代表编码增益,M是系统的分集重数。如图2所示,分集增益引起的信噪比优势随着分集重数的增加和目标错误率的降低而增加,编码增益在较高信噪比时通常是恒定的。2mimo-ofd编解码与其他解码算法对于MIMO-OFDM系统来说,与MIMO系统不同的是其可以在空间、时间和频域上联合编码MIMO只是在空间和时间上联合编码,而MIMO-OFDM则是,较MI-MO系统更为复杂,当然给系统带来的好处也是显而易见的。只有通过MIMO-OFDM编解码才能够恢复从各个发送天线上得到的叠加的信号,也只有通过MIMO-OFDM编解码才能够实现空间分集、频率分集和时间分集来改进系统的性能,所以说MIMO-OFDM编解码是勿庸置疑的核心技术之一。MIMO-OFDM系统可以采用空时编码、空频编码或者空时频编码,要视实际应用的信道而言。其中空时编码方式有很多种,有增加空间复用增益的分层空时码,还有增加分集增益的空时格码和分组码等。研究表明,空时编码与OFDM技术简单的结合虽然相对于无编码的系统而言,采用空时编码的系统性能得到了提高,但这样得到的空时编码OFDM系统并不是最优的,不能完全达到MIMO-OFDM系统中蕴涵的最大分集增益和编码增益。因而,MIMO和OFDM技术如何有机结合以便最大程度地获得分集增益和编码增益是当前研究的热点问题,我们需要研究各种编码的性能优劣以及其适用的信道环境。当设计好了一种优秀的编码方案之后,就需要相应的解码算法来完成系统的工作,如何选取一种好的算法进行信号检测关系到整个系统的性能好坏。目前,各种已经开发出的MIMO-OFDM系统的解码检测算法可以大致分为线性检测和非线性检测算法,线性算法如线性最小均方误差(LMMSE)算法等,非线性算法如最大似然检测(MLD)算法和连续干扰消除(SIC)算法等。相对于LMMSE算法和SIC算法,MLD算法虽然能够提供最高的BER性能,但是需要更大的计算量,在实际中很少采用。虽然在这方面已经有学者作了很多的研究,但为寻求最优的解码算法,还是有相当大的工作要做。2.2mimo-ofd的同步算法同步技术是任何一个通信系统都需要而且是必须解决的实际问题,其性能直接关系到整个通信系统的性能,它是接收端能接收到高质量信息的前提。对于MIMO-OFDM通信系统而言,对定时和频率偏移较为敏感,因此时域和频域同步非常重要。同步一般包括符号定时同步、载波频率同步和采样(时钟)频率的同步。符号定时的目的是为了找到FFT窗的起始位置,可以采用特殊的训练序列来进行符号定时,另外利用循环前缀的相关特性也可以用作定时。利用循环前缀作为保护间隔一定程度上降低了对符号定时的要求,MIMO-OFDM系统能够容忍一定的符号定时误差而不受性能上损失。但如果误差较大,将会引人符号间干扰ISI,甚至破坏子载波间的正交性,造成严重的ICI。MIMO-OFDM系统对载波频偏极为敏感,频率偏差的直接后果是造成接收信号的幅度衰减、相位旋转,以及ICI,严重的频偏将造成信号无法正确解调,而使系统性能急剧下降,所以这是MIMO-OFDM技术应用于无线通信的一大障碍。常用的估计频偏的方法包括利用特殊的训练符号在时域或者频域估计,利用导频信号进行估计,以及利用OFDM信号特有的循环前缀特性进行估计。MI-MO-OFDM信号波形使得大多数为单载波系统设计的同步算法不再适用,这些区别表现在对各种同步错误的敏感性。另外采样时钟的同步也是个不可忽略的问题,它的目的是使接收机的采样时钟频率和发射机的一致,采样时钟频率误差会引起ICI,而且采样时钟累积误差还会导致符号定时的漂移,而使符号定时性能恶化。一般有两种算法解决这个问题:一种是同步抽样的定时算法,使用压控晶体振荡器来校准接收机和发射机的时钟。另一种是采用异步抽样的方法,但是需要后处理。为解决MIMO-OFDM的同步问题,出现了多种同步算法,主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行,其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法,其中ESPRIT算法虽然估计精度高,但计算复杂、计算量大;而ML算法利用OFDM信号的循环前缀,可以有效地对MIMO-OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计,而且与ESPRIT算法相比,其计算量要小得多。目前,对MIMO-OFDM技术的同步算法研究得比较多,需要根据具体的系统具体设计和研究,利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。2.3mimo-ofd系统中的信道估计信道估计技术对抑制干扰和解复用信号十分重要,在信道状态信息CSI已知的假设下,MIMO-OFDM系统能够提供高速率、高质量的数据传输。但是,在实际中CSI常常是未知的,要从接收信号中估计得到,只有在接收端有很好的信道信息时,MIMO-OFDM系统才能进行有效的解码,进行相干信号解调也需要得到频率信道和空间信道的信道冲击响应。因而准确的信道估计是保证MIMO-OFDM系统传输质量,发挥其优越性的关键所在。有关OFDM系统中的信道估计已有较多的研究,通常可以分为基于训练序列的方法、基于导频符号的方法和盲估计方法三类。经研究表明,这些算法在OFDM系统中均能取得较好的性能,但是它们并不适用于MIMO-OFDM系统,这是因为MIMO-OFDM系统的接收信号是多个发射天线发送信号的衰落与加性噪声的线性叠加,若采用单发单收OFDM(SISO-OFDM)的估计信道算法,对于某个特定的发射接收天线对,来自于其它天线的信号即为干扰,信号噪声功率比常常在0dB以下,从而带来很大的估计误差,将导致系统性能急剧下降。因此,MIMO-OFDM系统中的信道估计需要深入地进行探讨研究。信道估计方案与传输方案密切相关,实用的信道估计技术需要充分利用传输数据的特征,从而能在信道估计误差、频谱效率及实现复杂度等方面实现合理的折中。3物理层mimo-ofd的特性MIMO-OFDM技术作为第四代移动通信系统的关键技术,具有很高的频谱效率和