移動通信中MIMO-OFDM技術概述

【摘要】采用MIMO技術的OFDM系統是現代移動通信的核心技術。本文首先介紹正交頻分復用（OFDM）技術和多輸入多輸出（MIMO）系統的基本原理，簡述MIMO-OFDM技術及其特點，并初步探討MIMO-OFDM系統的關鍵技術。

【關鍵詞】正交頻分復用多輸入多輸出載波編碼

一、引言

正交頻分復用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術是多載波傳輸的一種，其多載波之間相互正交，高效地利用頻譜資源，OFDM將總帶寬分割為若干個窄帶子載波，可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。多輸入多輸出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）系統充分開發空間資源，利用多個天線實現多發多收，在不需要增加頻譜資源和天線發送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。OFDM調制的MIMO系統，充分開發了這兩種技術的潛力，將二者結合起來將成為新一代移動通信的核心技術。

二、正交頻分復用（OFDM）技術

正交頻分復用（OFDM）是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以看作是一種調制技術，也可以當作一種復用技術。多載波傳輸把數據流分解成若干子比特流，這樣每個子數據流具有低得多的比特數據流，再去調制成相應的子載波，各子載波相互正交，所以擴頻調制后的頻譜可以相互重疊。在OFDM系統中，在各個頻段上發送的并行數據信號合并成一個獨立的復用數據流，這些數據由多個子載波組合而成，然后在OFDM系統中傳輸。這樣增加了數據的吞吐量，提高了傳輸速度。傳統的FDM系統中，兩個信道之間存在較大的頻率間隔作為保護帶來防止干擾，這樣就降低了系統的頻譜利用率。因此，OFDM系統比傳統FDM系統具有更高的帶寬利用率，兩者對比示意圖見圖1所示。

OFDM通信系統基本模型如圖2所示。輸入的二元數字序列首先進行串/并轉換和編碼映射，然后經過快速傅里葉逆變換（IFFT）對編碼后的星座點進行基帶調制，再經并/串轉換，D/A轉換及低通濾波后經過上變頻送到信道。接收端的處理過程與發送端相反，信道出來的信號先經過下變頻，低通濾波（LPF），A/D轉換及串/并轉換后，再進行快速傅里葉變換（FFT），然后對所得數據進行均衡，以校正信道失真，最終進行譯碼判決和并/串轉換，恢復出原始的二元數字序列。

三、多輸入多輸出（MIMO）系統

在通信兩端發送和接收信號稱為單輸入單輸出系統（SISO），而在通信兩端使用多個天線進行發送和接收信號稱為多輸入多輸出系統（MIMO）。由于電磁環境較為復雜，多徑效應、頻率選擇性衰落和其他干擾的存在，使得實現無線信道的高速數據傳輸比有線信道傳輸難。通常多徑效應會引起衰落，被視為有害因素。但對于MIMO系統來說，多徑效應可以作為一個有利因素加以利用，因MIMO系統在發射端和接收端均采用多天線和多通道，多輸入和多輸出針對多徑無線信道而言的。MIMO系統的原理圖如圖3所示，其傳輸信息流S（k）經過空時編碼形成N個信息子流CN（k）。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收利用先進的空時編碼處理就能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。特別是這N個子流同時發送到信道時，各發射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發射和接收天線間的通道響應獨立，則MIMO系統可以創造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，在不占用額外的帶寬，也不消耗額外的發射功率的情況下，利用MIMO技術可以成倍地提高系統傳輸容量，大大提高了頻譜利用率。

四、OFDM調制的MIMO系統

OFDM技術是一種特殊的多載波傳輸方案，其多載波之間相互正交，可以高效利用頻譜資源，同時OFDM將總帶寬分割為若干個窄帶子載波，可以有效抵抗頻率選擇性衰落。與MIMO技術相結合的MIMO-OFDM系統既可以達到很高的傳輸效率，又可以通過分集達到很強的可靠性，從而成為現代移動通信系統核心技術的解決方案。

在如圖4所示的典型MIMO-OFDM系統模型中，發射端有N個發射天線的工作流程如下：輸入的數據符號流經串/并電路分成N個子符號流，采用信道編碼技術對每個符號流進行無失真壓縮并加入冗余信息，調制器對編碼后的數據進行空時調制；調制后的信號在IFFT電路中實現OFDM調制處理，完成將頻域數據變換為時域數據的過程，然后輸出的每個OFDM符號前加一個循環前綴以減弱信道延遲擴展產生的影響，每個時隙前加前綴用以定時，這些處理過的OFDM信號流相互平行地傳輸，每一個信號流對應一個指定的發射天線，并經數模轉換及射頻模塊處理后發射出去。

接收端進行與發射端相反的信號處理過程，首先通過接收端的M根接收天線接收信號，這些信號經過放大、變頻、濾波等射頻處理后，得到基帶模擬接收信號；并分別通過模數轉換將模擬信號轉換為數字信號后進行同步，在去循環前綴后通過FFT解調剩下的OFDM符號；此時，時延數據變換成為頻域數據，接下來在頻域內，從解調后的OFDM符號中提取出頻率導頻，然后通過精細的頻率同步和定時，準確地提取出導頻和數據符號，實現數據還原。

五、實現MIMO-OFDM的關鍵技術

（1）MIMO-OFDM系統中的時頻同步。對于MIMO-OFDM系統的同步問題涉及前導序列的設計，時間和頻率同步，以及信號檢測技術等方面。一般來說，在MI- MO-OFDM系統在下行和上行鏈路傳播之間都存在同步時隙，用于實施相位和頻率對齊。并且實施頻率偏差估計。時隙可按以下方式構成：在偶數序號的子載波上發送數據和練習符號，而在奇數序號的子載波上設置為零。這樣經過IFFT變化后得到的時域信號就會被重復，有利于信號的檢測。

（2）MIMO-OFDM信道估計。在MIMO-OFDM系統中，發送端編碼和接收端信號檢測都需要真實準確的信道狀態信息，信道狀態信息的準確性將直接影響著MIMO-OFDM系統的整體性能。然而對于MIMO-OFDM系統，不同的信號同時從不同的天線發射出去，對于每一個天線、每一個子載波都會對應很多個信道參數，信道參數太多，對信道估計帶來了較大的困難。但對于不同的子載波，同一空分信道的參數是相關的，我們可以利用這一相關特性得到參數的估計方法。MIMO-OFDM系統信道估計方法一般有三種：非盲信道估計、盲信道估計和半盲信道估計。

（3）MIMO-OFDM系統中的空時編碼技術。空時信號處理是隨著MIMO技術而誕生的一個嶄新的概念，與傳統信號處理方式的不同之處在于其同時從時間和空間兩方面研究信號的處理問題。空時信號處理包括發射端的信令方案和接收端的檢測算法。從信令方案的角度看，MIMO可以大致分為空時編碼（STC：Space Time Coding）和空間復用（SM：Spatial Multiplexing）兩種。

（4）MIMO-OFDM系統中的糾錯編碼。糾錯編碼技術是改善數字信道通信可靠性的一種有效手段，低復雜度、高性能的編碼方案明顯可以大大提高系統的性能。在數字通信領域，比較常用的編碼方法主要有卷積碼、分組碼、Turbo碼和LDPC（低密度奇偶校驗）碼。而其中最受人們關注、理論最成熟的是Turbo碼和LDPC碼。Turbo碼可獲得比傳統級連碼更大的編碼增益，被認為是大編碼存儲卷積碼或傳統級連碼的替代方案。但是，對于使用Turbo的系統來說，其解碼的復雜度遠高于編碼的復雜度，無線通信系統要求的是一個復雜度很低的終端，以盡量節省系統成本。于是，解碼復雜度低的LDPC編解碼技術開始大量運用。其特點是：性能優于Turbo碼，具有較大的靈活性和較低的差錯平底特性（error floors）；描述簡單，對嚴格理論分析具有可驗證性；譯碼復雜度低于turbo碼，且可實現完全的并行操作；硬件復雜度低，因而適合硬件實現；吞吐量大，極具高速譯碼潛力。因此，結合LDPC的無線通信系統必將獲得更好的性能。

六、結束語

MIMO技術和OFDM技術在各自的領域中都發揮了巨大的作用，將兩者相結合的MIMO-OFDM系統提供了更高的速率和頻帶利用率，已成為下一代移動通信技術研究的熱點。

參考文獻

[1]黃韜，袁超偉，楊睿哲等. MIMO相關技術與應用.北京：機械工業出版社. 2007年

[2]周恩，張興，呂召彪等.下一代寬帶無線通信OFDM與MIMO技術.北京：人民郵電出版社. 2008年