低頻部署下MIMO-OFDM 通信系統(tǒng)的頻譜利用效率分析

樊恒波，李秀成，王江超

(中通服咨詢設計研究院有限公司,北京100062)

0 引 言

為解決中國高頻段無線電頻段資源緊張問題，研究人員關注低頻部署下的多進多出-正交頻分復用（Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MIMO-OFDM）通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)結合了MIMO 技術和OFDM 技術，通過多天線和子載波傳輸數(shù)據(jù)，提高信道容量和信號覆蓋范圍，增強抗干擾能力和頻譜利用率。此外，還引入空間分集和空時編碼等技術，以進一步提升系統(tǒng)性能，改善用戶感知體驗。

1 MIMO-OFDM 通信系統(tǒng)的基礎知識

1.1 MIMO 技術的原理與應用

1.1.1 MIMO 技術的原理

MIMO 技術是基于多個天線之間的獨立傳輸通道傳輸數(shù)據(jù)，在發(fā)送端使用多個天線同時發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流，并在接收端使用多個天線接收這些數(shù)據(jù)流，工作原理如圖1 所示，減小信號在傳播過程中受到的干擾和衰減。MIMO 技術的主要優(yōu)勢是在有限的頻譜和時間資源內(nèi)提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率與可靠性。在MIMO 系統(tǒng)中，通過獨立天線發(fā)送的信號之間的傳播路徑不同，導致接收端收到的信號是不同路徑上信號的疊加。這種空間多樣性使得系統(tǒng)能夠更有效地應對信道中的衰落和干擾[1]。

圖1 MIMO 技術的原理

1.1.2 MIMO 技術的應用

MIMO 技術在無線通信領域如無線局域網(wǎng)和移動通信系統(tǒng)中有著廣泛的應用。例如，在長期演進（Long Term Evolution，LTE）標準中，應用MIMO 技術可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)容量。此外，MIMO 技術應用于蜂窩網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信等領域，能夠為各種通信場景提供靈活和高效的解決方案。

1.2 OFDM 技術的原理與特點

1.2.1 OFDM 技術的原理

OFDM 技術是將信號分成多個正交的子載波進行傳輸，有效抵抗多徑傳播引起的時延擴展。OFDM 技術采用頻分復用的方式，將高速數(shù)據(jù)流分割成多個低速子流，每個子流在不同子載波上傳輸。這些子載波間正交，彼此不會產(chǎn)生干擾。在接收端，通過對各個子載波進行解調(diào)和合并，可以還原原始的高速數(shù)據(jù)流[2]。

1.2.2 OFDM 技術的特點

（1）抗多徑干擾。由于采用多個正交子載波，OFDM 系統(tǒng)能夠有效應對多徑傳播引起的時延擴展。每個子載波擁有獨立的傳播路徑，信號可以經(jīng)過不同的路徑到達接收端，從而減小多徑干擾的影響。

（2）頻譜利用效率高。OFDM 系統(tǒng)將高速數(shù)據(jù)流分割成多個低速子流，每個子流占據(jù)不同的頻帶，從而實現(xiàn)頻譜的高度復用。這種并行傳輸?shù)姆绞娇梢蕴岣哳l譜利用效率，使系統(tǒng)在有限的頻譜資源下傳輸更多的數(shù)據(jù)。

（3）適應性調(diào)制。OFDM 系統(tǒng)可以根據(jù)實時信道條件動態(tài)地調(diào)整子載波的調(diào)制方式。在較好的信道條件下，可以采用更高階的調(diào)制方式以提高數(shù)據(jù)傳輸速率；在較差的信道條件下，系統(tǒng)可以自適應地選擇更為穩(wěn)定的調(diào)制方式，以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

（4）抗頻率選擇性衰落。由于子載波之間正交，系統(tǒng)對頻率選擇性衰落的敏感性較低，能夠有效防范信號在頻率上衰落引起的傳輸質(zhì)量下降問題。

2 低頻部署對MIMO-OFDM 系統(tǒng)的影響

2.1 低頻部署對信號傳輸性能的影響

在低頻部署下，信號的傳輸性能會受一系列因素的影響。一是信號衰減，由于低頻信號的波長相對較長，信號在傳播過程中易產(chǎn)生大范圍的自由空間路徑損耗，且低頻部署下信號的衰減相對較大，降低信號的傳輸強度。這種衰減可能導致信號質(zhì)量下降，影響MIMO-OFDM 系統(tǒng)的傳輸性能。二是多徑效應，在低頻部署環(huán)境中，由于信號波長相對較長，多徑效應可能更為顯著。多徑效應導致信號在傳播過程中經(jīng)歷多個路徑，在接收端產(chǎn)生時延擴展和相位失真，對于MIMO 系統(tǒng)的信號接收和解調(diào)產(chǎn)生負面影響，降低系統(tǒng)性能。三是干擾，低頻信號更易受外部電磁干擾的影響，如電源線干擾、天氣影響等。這些干擾源可能導致信號出現(xiàn)抖動、失真等問題，影響MIMOOFDM 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。因此，在低頻部署下，需要更加關注系統(tǒng)對于外部干擾的抗性[3]。

2.2 低頻部署對頻譜利用效率的影響

頻譜利用效率是衡量通信系統(tǒng)性能的關鍵指標之一。在低頻部署下，頻譜利用效率可能面臨以下挑戰(zhàn)。

一是信號穿透能力。低頻信號相對于高頻信號具有更強的穿透能力，能夠更好地穿透障礙物，如建筑物和植被。盡管這有助于擴大通信覆蓋范圍，但也可能導致頻譜的非均勻利用，使得一部分頻譜資源被浪費在無須覆蓋的區(qū)域。

二是抗干擾能力。由于低頻信號更容易受外部干擾的影響，系統(tǒng)的抗干擾能力可能下降。這會導致頻譜資源被額外的干擾占用，從而減少可用頻譜的有效利用率。因此，在低頻部署下，需要采取有效的抗干擾措施，以維護系統(tǒng)的頻譜利用效率。

三是覆蓋范圍和穿透能力的平衡。低頻部署下，需要平衡覆蓋范圍和穿透能力之間的關系。頻譜資源的均勻利用需要考慮信號的傳播范圍，同時確保在有需要的區(qū)域內(nèi)提供足夠的信號強度。

3 頻譜利用效率分析與優(yōu)化策略

3.1 頻譜利用效率的評估指標與方法

采用一系列合適的評估指標和方法全面評估低頻部署下MIMO-OFDM 系統(tǒng)的頻譜利用效率，頻譜利用效率評估指標和分析方法主要有5 種。

3.1.1 信噪比

信噪比是衡量信號質(zhì)量的重要指標之一。在低頻部署環(huán)境下，信號衰減和多徑效應等因素會導致信號質(zhì)量下降。因此，測量接收到的信號與噪聲之比可以評估信號的清晰度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1.2 系統(tǒng)容量

系統(tǒng)容量是指在單位頻譜資源下通信系統(tǒng)能夠支持的最大用戶數(shù)量或數(shù)據(jù)傳輸速率。在低頻部署下，信號衰減和頻譜利用不均勻會對系統(tǒng)容量造成影響。因此，評估系統(tǒng)容量可以了解系統(tǒng)在不同頻率條件下的性能。

3.1.3 頻譜利用率

頻譜利用率是指實際使用的頻譜資源與總可用頻譜資源的比例。在低頻部署環(huán)境中，信號的穿透能力和頻譜的非均勻利用會對頻譜利用率造成影響。

3.1.4 比特誤碼率

比特誤碼率是衡量數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的指標，在無線通信中更為關鍵。低頻部署下，由于信號衰減和多徑效應，比特誤碼率可能上升。

3.1.5 頻譜效率分析

分析低頻部署環(huán)境中信號的頻譜分布，可以了解不同頻段的利用狀況，從而有利于找出頻譜利用效率低的區(qū)域，并提出相應的優(yōu)化策略。利用MATLAB軟件仿真MIMO-OFDM 通信系統(tǒng)中行人模型和車輛模型2 個信道模型的頻譜效率，仿真結果如圖2 所示。由圖2 可知，在低信噪比情況下，車輛信道模型相比行人模型有著更高的頻譜效率，隨著信噪比的逐步增加，兩者的頻譜效率趨于一致且達到最大值后不再增加。

圖2 MIMO-OFDM 通信系統(tǒng)的頻譜效率結果

3.2 針對低頻部署的MIMO-OFDM 系統(tǒng)的優(yōu)化策略

低頻部署下，為提高MIMO-OFDM 系統(tǒng)的性能和頻譜利用效率，需要采取一系列有效的優(yōu)化策略。

一是天線配置優(yōu)化，通過優(yōu)化天線配置，如天線數(shù)量和天線間距等參數(shù)，可以提升系統(tǒng)在低頻環(huán)境下的信號接收和傳輸性能。天線配置的合理設計有助于克服低頻環(huán)境中的信號衰減和多徑效應。

二是信道編碼改進，采用更為高效的信道編碼方案可以提高系統(tǒng)對于信號干擾和噪聲的容忍度。在低頻部署下，信號質(zhì)量可能下降，因此采用更強大的信道編碼是提升系統(tǒng)性能的有效手段。

三是功率控制策略，在低頻部署環(huán)境中，采用智能的功率控制策略，根據(jù)實時信道狀況調(diào)整發(fā)送端的功率水平，可以有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力和頻譜利用效率。

四是頻譜資源動態(tài)分配，采用動態(tài)頻譜資源分配策略，根據(jù)不同區(qū)域的需求調(diào)整頻譜資源的分配情況，有助于在低頻部署下更均勻地利用頻譜資源，提高系統(tǒng)整體的頻譜利用效率[4]。

五是引入智能重傳機制，針對低頻環(huán)境中可能出現(xiàn)的信號丟失問題，引入智能的重傳機制，根據(jù)信道狀況自適應地進行數(shù)據(jù)重傳，有利于改善系統(tǒng)的可靠性和性能。

4 低頻部署的MIMO-OFDM 系統(tǒng)的適用場景

4.1 農(nóng)村和偏遠地區(qū)通信覆蓋

在農(nóng)村和偏遠地區(qū)，通信基礎設施相對薄弱，地理環(huán)境復雜，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)可能面臨覆蓋范圍狹窄、信號弱等問題。低頻部署的MIMO-OFDM 系統(tǒng)在這種場景下具有顯著優(yōu)勢。一是強大的穿透能力，低頻信號具有更強的穿透力，能更好地穿透建筑物和植被等障礙物，實現(xiàn)更廣泛的通信覆蓋，滿足農(nóng)村和偏遠地區(qū)廣泛分布的通信需求。二是抗多徑效應的優(yōu)勢，由于地形復雜，農(nóng)村和偏遠地區(qū)通常受多徑效應的影響，低頻部署下MIMO-OFDM 系統(tǒng)對多徑效應具有一定的抗性，有助于提升信號的傳輸質(zhì)量[5]。三是低頻廣播的經(jīng)濟性，低頻信號在廣播方面具有較好的經(jīng)濟性，能夠覆蓋更廣闊的地域，降低基站的部署成本。

4.2 高層建筑內(nèi)部通信環(huán)境

在建筑物內(nèi)部通信系統(tǒng)中，由于建筑結構的復雜性，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)受阻擋和多徑效應的影響，信號覆蓋不均勻。在這種場景下，低頻部署的MIMO-OFDM 系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：一是信號穿透建筑，低頻信號能夠更好地穿透建筑物，達到高層建筑內(nèi)部的各個角落，使通信覆蓋更加均勻。二是抗多徑效應。高層建筑內(nèi)部通信環(huán)境復雜，多徑效應常常導致信號的時延擴展和相位失真。低頻部署下MIMO-OFDM 系統(tǒng)對多徑效應的抗性有助于提升信號的傳輸質(zhì)量，降低通信中斷的概率。三是低頻信號的穩(wěn)定性，在高層建筑內(nèi)部，高頻信號更易受到衰減和反射等影響，而低頻信號在這種環(huán)境中更為穩(wěn)定，保障通信的可靠性。

5 結 論

文章全面且深入地分析了低頻部署下MIMOOFDM 通信系統(tǒng)的頻譜利用效率，對提升通信系統(tǒng)性能具有一定的指導意義。未來的通信系統(tǒng)設計和優(yōu)化中，可以根據(jù)文章提出的評估指標、優(yōu)化策略和適用場景進行參考，以更好地滿足不同環(huán)境下的通信需求。