無線網絡中的OFDM與MIMO技術的融合

胡成偉

【摘要】 OFDM技術作為無線環境的高速傳輸技術，實現在給定信道內使用若干正交子載波進行調制傳輸，頻譜相互重疊，不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。而MIMO技術作為目前最常見的無線技術之一，同時也是802.11N產品標志性的技術之一，能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。從而進一步提高無線通信系統容量，提高了數據速率。OFDM與MIMO的融合，將在OFDM基礎上更加合理的開發了空間資源，可以提供更高的數據速率，改善系統性能。使得MIMO系統在頻率選擇性衰落信道中也能發揮作用。因此，兩者的融合必然在下一代無線網絡通信系統中扮演越來越重要的角色。

【關鍵詞】 OFDM技術 MIMO技術 OFDM與MIMO的融合

一、引言

無線通信作為新興的通信技術在日常生活中的作用越來越大。近年來，無線局域網技術發展迅速，但無線局域網的性能、速度與傳統以太網相比還有一定距離，因此，如何提高無線網絡的性能和容量日益顯得重要。在有限的頻譜資源上實現高速率和大容量，需要頻譜效率極高的技術。MIMO技術充分開發空間資源，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技術是多載波傳輸的一種，其多載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源，另外，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。因此充分開發這兩種技術的潛力，將二者結合起來可以成為新一代移動通信核心技術的解決方案，下面詳細介紹這兩種技術及其二者的結合方案。

二、OFDM技術

OFDM（正交頻分復用技術）是一種無線環境下的高速傳輸技術。眾所周知，無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。（如圖1）

OFDM將頻率選擇性信道劃分為一組平衰落的子信道并行傳輸數據，從而有效地減小了信道時延擴展的影響，OFDM的各子載波信道的頻譜相互重疊，且每個子信道頻域響應的峰值點恰為其它子信道頻域響應的零點，因而既保證了子載波的正交性，也充分利用了頻譜資源。同時，OFDM可利用FFT/IFFT快速高效的實現調制解調。可以根據信道特性自適應地進行各子載波上的功率分配以及選擇不同的調制方式，充分利用條件好的子信道以提高系統性能。

另一方面，與單載波系統相比，OFDM對頻率偏差更加敏感。無線信道的時變性造成的多普勒頻移，或者發射機和接收機本地振蕩器的頻率偏差都會破壞子載波的正交性，從而導致ICI。OFDM還存在較高的峰值平均功率比，這是由于OFDM的輸出信號由多個子信道上的信號疊加而成，當這些信號的相位一致時，輸出信號的瞬時功率會遠遠大于平均功率。高峰均比對發射機內的線性放大器提出了很高的要求，如果放大器的動態范圍不能滿足信號幅度的變化，就會造成信號波形和頻譜的畸變，因而破壞子載波的正交性。

三、MIMO技術

多進多出（MIMO）系統是利用多天線來抑制信道衰落。該系統在發射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。圖2所示為MIMO系統的原理圖。傳輸信息流s（k）經過空時編碼形成N個信息子流ci（k），I=1，……，N。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。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理，特別是當這N個子流同時發送到信道，各發射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發射接收天線間的構筑多條相互獨立的通道，則MIMO系統可以創造多個并行空間信道。MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，從而可實現高的通信容量和頻譜利用率，這是一種近于最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。（如圖2）

對于發射天線數為N，接收天線數為M的多入多出（MIMO）系統，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，并設N、M很大，則信道容量C近似為：C=[min（M，N）] Blog2（ρ/2） 其中B為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min（M，N）為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，多入多出系統的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統，其容量僅隨天線數的對數增加而增加。相對而言，多入多出對于提高無線通信系統的容量具有極大的潛力。可以看出，此時的信道容量隨著天線數量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用MIMO技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。目前MIMO技術領域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。

四、OFDM-MIMO融合

從以上分析我們可以看出MIMO和OFDM在各自的應用領域有各自的優點，MIMO系統可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落，MIMO仍是無能為力，現在一般采用均衡技術來解決MIMO系統中的頻率選擇性衰落。OFDM被認為是下一代移動通信中的核心技術。4G需要高的頻譜利用率的技術，但OFDM提高頻譜利用率的能力畢竟有限。如果結合MIMO技術，可以在不增加系統帶寬的情況下提高頻譜效率。MIMO+OFDM技術可以提供更高的數據傳輸速率，又可以通過分集達到很強的可靠性，如果把合適的數字信號處理技術應用到MIMO+OFDM系統中能更好的增強系統的穩定性。另外，OFDM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有很強的抗多徑干擾能力。多徑時延小于保護間隔使系統不受碼間干擾的影響。這樣就可以使單頻網絡使用寬帶OFDM系統依靠MIMO技術消除陰影效應。

MIMO-OFDM系統采用Nt個發送天線，Nr個接收天線，在發送端和接收端各設置多重天線，可以提供空間分集效應，克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當的多副天線提供多個空間信道，不會全部同時衰落。輸入的比特流經串并變換分為多個分支，每個分支都進行OFDM處理，即經過編碼、交織、QAM映射、插入導頻信號、IDFT變換、加循環前綴等過程，再經天線發送到無線信道中；接收端進行與發射端相反的信號處理過程，例如：去除循環前綴、DFT變換、解碼等等，同時進行信道估計、定時、同步、MIMO檢測等技術，來完全恢復原來的比特流。

五、結束語

MIMO技術和OFDM技術在各自的領域都發揮了巨大的作用，目前將MIMO與OFDM相結合并應用到下一代無線局域網中，是無線通信的一個研究熱點，將使無線局域網向著更高速率、更大容量、更好性能的方向發展。

參 考 文 獻

[1] IEEE802.11Part11， Wireless LAN Medium Access Control（MAC）andPhysicalLayer （PHY） Specifications [S].

[2]”Data and Computer Communications”William Hall Published by Prentice Hall

[3]《移動無線通信（英文版）--國外電子通信教材》 （美）施瓦茨（SchwartZ 電子工業出版社

[4]佟學儉，羅濤.OFDM移動通信技術原理與應用 [M]. 北京：人民郵電出版社， 2003.