８０２．１６ｄ中ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ技術(shù)的研究

摘要：該文在IEEE802.16d協(xié)議的基礎(chǔ)上介紹了MIMO-OFDM系統(tǒng)的基本原理，給出了一種基于LS準(zhǔn)則的適用于MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道估計算法，并與MMSE算法進(jìn)行了仿真比較。最后還介紹了空時格柵編碼和空時分組編碼以及這兩種編碼的優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：802.16d；MIMO-OFDM；信道估計；空時編碼

中圖分類號：TN919.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)36-2821-03

Research on the Technique of MIMO-OFDM in 802.16d

PAN Han-huai，AN Xue-e

(Huai'an College of Information Technology， Huai'an 223300，China)

Abstract: This paper introduced the principle of MIMO-OFDMsystem based on IEEE 802. l6d standard. Propose aleast，square(LS)channel estimation scheme used in channel estimation of the MIMO-OFDM system andcompared with MMSEalgorithm.At last，introduce the advantages and shortcomings of space-time trellis coding and space-time block coding.

Key words:802.16d;MIMO-OFDM;channel estimation;space-time coding

1 引言

802.16d于2004年10月由美國IEEE正式發(fā)布，它是802.16標(biāo)準(zhǔn)系列的修訂版本，是相對比較成熟并且最具有實用性的一個標(biāo)準(zhǔn)版本。802.16d對10-66GHz頻段和﹤11GHz頻段的固定寬帶無線接入空中接口物理層和MAC層進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，定義了支持多種業(yè)務(wù)類型的固定寬帶無線接入系統(tǒng)的MAC層和相對應(yīng)的物理層。IEEE 802.16d是固定寬帶無線接入的標(biāo)準(zhǔn)，它定義了三種物理層實現(xiàn)方式：單載波、OFDM (256點)、OFDMA(2048點)。由于OFDM、OFDMA具有較高的頻譜利用率，在抗多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上具有明顯的優(yōu)勢，因此，OFDM和OFDMA是IEEE 802.16中兩種主要的物理層應(yīng)用方式。

在寬帶無線通信系統(tǒng)中，必須著重解決兩個主要問題：多徑衰落和帶寬效率。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)將頻率選擇性多徑衰落轉(zhuǎn)換為子載波上的平坦衰落，能夠有效對抗多徑衰落。而MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)利用多天線在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道同時傳輸多路數(shù)據(jù)，在不增加系統(tǒng)帶寬的情況大大提高了頻譜利用率。如果將OFDM和MIMO兩種技術(shù)相結(jié)合，那么就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，并保證數(shù)據(jù)的可靠性。MIMO-OFDM技術(shù)將空間分集、頻率分集以及時間分集有機(jī)地結(jié)合在一起，大大提高了無線通信中的信道容量和傳輸速率，并能有效的抵抗衰落、抑制干擾和噪聲。因此，MIMO-OFDM系統(tǒng)越來越引起人們的研究興趣，本文在802.16d的基礎(chǔ)上對MIMO-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2 MIMO-OFDM系統(tǒng)框圖[3-4]

根據(jù)802.16d 協(xié)議，MIMO-OFDM系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。由圖可知，系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端均采用多天線。在發(fā)送端，傳輸數(shù)據(jù)流首先經(jīng)過空時編碼形成M個數(shù)據(jù)子流，然后分別經(jīng)過IFFT完成OFDM調(diào)制，形成M個OFDM信號從M個天線發(fā)射出去。在接收端，采用N個接收天線接收信號，首先經(jīng)過FFT對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，然后經(jīng)過空時解碼分開和解碼接收到的數(shù)據(jù)子流。

3 802.16d協(xié)議中關(guān)于OFDM的描述[5]

OFDM是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，通過串/并變換將高速數(shù)據(jù)流分散到多個正交的子載波上傳輸，一方面使各個子載波的符號速率大幅下降，相應(yīng)的符號持續(xù)時間變大，減少符號間干擾的影響，有較強的抗時延擴(kuò)展能力；另一方面信號的并行傳輸分散了瑞利衰落引起的突發(fā)性錯誤，提高了系統(tǒng)的抗突發(fā)錯誤的能力。由于OFDM各子載波相互正交，因此允許子載波頻譜混迭，充分利用有限的頻譜資源，使得其頻帶利用率高于傳統(tǒng)的FDM調(diào)制方式。同時在OFDM系統(tǒng)中，普遍采用循環(huán)前綴來完全克服符號間干擾，使得OFDM系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)無線通信中的多徑環(huán)境。

3.1 OFDM符號的時域描述

傅里葉逆變換(IFFT)生成OFDM波形，持續(xù)時間指的是有用符號時間Tb，有用符號周期的最后Tg部分復(fù)制到Tb的前端，稱作CP (循環(huán)前綴)，用于抗多徑，同時保持了載波的正交性。Tb和Tg合在一起稱為符號時間Ts，圖2表明了該結(jié)構(gòu)。

3.2 OFDM符號的頻域描述

頻域描述包括一個OFDM符號的基本結(jié)構(gòu)。一個OFDM符號(圖3)由載波組成，載波的數(shù)目決定了使用的傅里葉變換(FFT)的點數(shù)。有以下幾種載波類型：數(shù)據(jù)載波——用于數(shù)據(jù)傳輸；導(dǎo)頻載波——用于各種估計用途；空載波——不傳輸數(shù)據(jù)，用作保護(hù)頻段和直流載波。

4 信道估計[1-2]

在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，信道估計的準(zhǔn)確性直接影響接收端進(jìn)行相干檢測和解碼的準(zhǔn)確性，因此，信道估計對于系統(tǒng)性能的好壞具有非常大的影響作用。目前，信道估計方法主要有盲估計和非盲估計兩種。盲估計是僅利用接收到的信號進(jìn)行信道估計，而非盲估計需要借助導(dǎo)頻符號或者訓(xùn)練序列。使用的估計準(zhǔn)則有LS算法、MMSE算法和LMMSE算法。下面介紹一種適用于MIMO-OFDM系統(tǒng)的基于LS[1]準(zhǔn)則的信道估計算法。

4.1 信號模型

假設(shè)在系統(tǒng)中，發(fā)送端采用M個發(fā)送天線，接收端采用N個接收天線。則在第n個OFDM符號周期，第i個發(fā)射天線與第j個接收天線間信道的時域沖激響應(yīng)可以表示為：

(1)

上式中，多徑時延擴(kuò)展歸一化為L個時間單位；hi，j(l)表示第i個發(fā)射天線與第j個接收天線間第l條路徑的沖激響應(yīng)，它是均值為0，方差為σl2的高斯過程；τ表示時延擴(kuò)展，τi，l表示第l條路徑的歸一化時延；fi，l表示第l條路徑的多普勒頻移。

信號經(jīng)過高斯信道后，第j個接收天線上的OFDM信號為：

(2)

其中，wj(n)為可加性高斯白噪聲。

在接收端，對yj(n)進(jìn)行FFT后，第k個載波上的信號為：

(3)

其中，Hi，j(k)表示在第n個OFDM符號周期，第i個發(fā)射天線與第j個接收天線間第k個子載波信道的頻率響應(yīng)；Ii(k)為載波間干擾。

(4)

由上式可看出，Hi，j(k)是k的正弦函數(shù)，它的變化快慢由τi，l/Ns決定，如果τi，l/Ns比較小，則Hi，j(k)變化慢。通常，τi，l遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Ns，所以Hi，j(k)變化相當(dāng)慢。

4.2 基于LS準(zhǔn)則的信道估計迭代算法[6-7]

對于不同的接收天線，信道估計過程是相互獨立的，因此，我們針對第j個接收天線進(jìn)行研究，其它接收天線的估計原理與此相同。為了簡單起見，在下面的分析中將省去用來標(biāo)記接收天線的下標(biāo)j。在此算法中，利用天線i，j間導(dǎo)頻載波信道的頻率響應(yīng)的粗估計值 i(k)，對它進(jìn)行Np/M（Np為導(dǎo)頻的個數(shù)）點的IFFT后就可以得到其它數(shù)據(jù)載波信道的頻率響應(yīng)。迭代算法如下：

1）用LS方法計算導(dǎo)頻載波信道的頻率響應(yīng) i(k)。

2）對 i(k)進(jìn)行Np/M點的IFFT得到 i(n)。在 i(n)的Np/M個非0值中，n=L，L+1，...，Np/M-1是可以忽略的噪聲部分。令 il(n)＝ i(n)，其中n=0，1，...，L-1，則 il(n)為估計的信道響應(yīng)，上標(biāo)表示迭代次數(shù)。

3）設(shè)迭代次數(shù)為m（m≥1），對 im(n)進(jìn)行Ns點的FFT得到 im(k)，然后用 im(k)替代 i(k)中的對應(yīng)值。

4）計算|im+1(k)- im(k) |，如果這個值低于設(shè)定好的閾值，那么就停止迭代，從而得到最后的估計結(jié)果；否則，將 im+1(k)變?yōu)闀r域信號 im+1(n)，并去除n=L，L+1，...，Ns-1的噪聲部分，重復(fù)步驟（3）—（4），直到得到最終結(jié)果為止。

通過以上步驟，可以計算信道估計值，信道估計的性能好壞可以用均方誤差MSE來評價，即

(5)

4.3 仿真比較

為了評估上述算法的性能，我們進(jìn)行了計算機(jī)仿真。采用2收2發(fā)的天線系統(tǒng)。系統(tǒng)帶寬為1MHz，包含256個子載波，192個數(shù)據(jù)子載波，8個導(dǎo)頻子載波，其它子載波用作保護(hù)頻帶。為了消除由多徑引起的符號間干擾ISI，系統(tǒng)引入了循環(huán)前綴CP，其長度為40us，加上OFDM符號周期160us，一個OFDM符號總長度為200us，則每個載波信道上的符號傳輸速率rb＝2.5KBd。采用4條相互獨立的瑞利衰落信道，多普勒頻移fd=40Hz，并假定不同天線對的信道衰落相互獨立。

為了便于比較分析，我們將LS方法和文獻(xiàn)2提出的MMSE方法進(jìn)行了仿真比較，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示，圖4是LS和MMSE算法的均方誤差（MSE）性能比較，圖5是LS和MMSE算法的誤符號率（WER）性能比較。圖中，理想CSI代表信道狀態(tài)信息（CSI）完全已知的情況。由圖4可知，隨著信噪比SNR的增加，兩種算法均方誤差MSE曲線呈直線下降，并且MMSE的估計性能優(yōu)于LS。從圖5也可以看出，MMSE算法的WER-SNR曲線比LS算法更接近理想CSI情況下的曲線。所以，MMSE算法性能優(yōu)于LS方法，但就復(fù)雜度來說，LS算法的復(fù)雜度比MMSE算法要低，MMSE算法涉及到大規(guī)模矩陣求逆運算，而LS方法只涉及到時頻域之間的轉(zhuǎn)化。目前有很多人提出了MMSE算法的改進(jìn)算法，可在保持高性能的同時，降低復(fù)雜度。在一些對估計精度要求不是很高的場合，采用本文給出的方法，仍然可以獲得比較好的估計性能。在實際應(yīng)用中采用何種算法，要從估計精度和實現(xiàn)復(fù)雜度兩方面綜合考慮。

圖4 LS和MMSE算法的均方誤差性能比較圖5 LS和MMSE算法的誤符號率性能比較

5 空時編碼[8-9]

在MIMO－OFDM系統(tǒng)中，空時編碼部分是十分重要的，是實現(xiàn)MIMO技術(shù)和降低誤比特率（BER）的關(guān)鍵。空時編碼在不同天線所發(fā)送的信號中引入時間和空間的相關(guān)性，從而在帶寬不變的情況下為接收端提供不編碼系統(tǒng)所沒有的分集增益和編碼增益。現(xiàn)有的空時編碼方式主要有空時格柵編碼和空時分組編碼兩種。在802.16d協(xié)議中，對空時編碼作了相應(yīng)描述。

空時格柵編碼是在空時延遲分集和網(wǎng)格編碼調(diào)制的基礎(chǔ)上提出的一種適合無線衰落信道的編碼方案。它采用各種空間變換星座，即用格形結(jié)構(gòu)使向量調(diào)制在某個特定的時間進(jìn)行，格形結(jié)構(gòu)和狀態(tài)決定了編碼增益。經(jīng)過編碼后的數(shù)據(jù)被分成N個數(shù)據(jù)流，然后通過N個天線同時發(fā)送到無線空間。在接收端，可以用一個天線，也可以用多個天線進(jìn)行接收，每一個接收天線接收到的是N個發(fā)送信號與干擾噪聲的線性疊加（衰落系數(shù)為權(quán)重），通過最大似然檢測的方法，可以正確識別出發(fā)送信號。

由于空時格柵編碼帶來的譯碼復(fù)雜度比較大，因此，為了較低譯碼的復(fù)雜度，Alamouti提出了一種使用兩副天線的傳輸方法，在此基礎(chǔ)上，Tarokh應(yīng)用正交設(shè)計理論提出了正交空時分組編碼。在兩個符號周期內(nèi)，兩天線同時發(fā)送兩個符號。在第1個周期，天線1發(fā)送S0，天線2發(fā)送S1；在第2個周期，天線1發(fā)送-S1*，天線2發(fā)S0* (上標(biāo)*表示取復(fù)共軛)。其構(gòu)成的碼字矩陣為：C= ；碼字矩陣的每一行符號同時在不同發(fā)射天線上發(fā)送出去，在一個天線上發(fā)送出去的星座點符號與另外任意天線上發(fā)送出去的符號是正交的。

由于空時格柵編碼考慮了前后輸入的關(guān)聯(lián)，它除了可以獲得分集增益外還可以在不犧牲系統(tǒng)帶寬的前提下獲得一定的編碼增益。因此，它比空時分組編碼具有更好的性能，抗衰落能力較強。它的主要缺點是編碼和譯碼過程都比較復(fù)雜。對于發(fā)射天線數(shù)固定的空時格柵編碼，其譯碼復(fù)雜度隨著傳輸速率的增加呈指數(shù)增加。因此，空時格柵編碼實現(xiàn)起來，難度較大。而空時分組碼構(gòu)造容易，譯碼比較簡單，與其它技術(shù)如交織技術(shù)結(jié)合使用時能夠發(fā)揮很好的性能。

6 今后的研究方向

MIMO-OFDM技術(shù)作為第四代移動通信系統(tǒng)（4G）的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有很高的頻譜效率和很強的抗多徑衰落能力，能夠提供高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，具有非常好的應(yīng)用前景。但是，就目前的研究現(xiàn)狀來說，仍然還有一些技術(shù)問題沒有得到很好解決。MIMO-OFDM系統(tǒng)中的信道估計技術(shù)是一個充滿挑戰(zhàn)而又十分重要的研究領(lǐng)域，尋找一種估計性能好、實現(xiàn)復(fù)雜度又低的信道估計算法，對于提高M(jìn)IMO-OFDM系統(tǒng)的性能是十分關(guān)鍵的。應(yīng)用于MIMO-OFDM系統(tǒng)的空時編碼技術(shù)也是研究的重點，當(dāng)前關(guān)于空時編碼的構(gòu)造和應(yīng)用已有一些成果，但這些理論大多假設(shè)信道是準(zhǔn)靜態(tài)、慢衰落的，而且相互獨立，而實際信道是頻率選擇性衰落、快變化的而且各衰落路徑有可能相關(guān)。因此，推動空時編碼技術(shù)的實用性，有必要對空時編碼在信道為頻率選擇性衰落、快變化和各衰落信道相關(guān)的情況下的性能以及相應(yīng)的改進(jìn)措施進(jìn)行理論和實踐研究。現(xiàn)代智能天線技術(shù)具有提高頻譜利用效率、增大系統(tǒng)容量、增強抗干擾能力等優(yōu)點，如何將其與MIMO-OFDM技術(shù)結(jié)合起來，也是未來移動通信系統(tǒng)研究的一個重要課題。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”