MIMO-OFDM技术概述

MIMO-OFDM技术概述

MIMO-OFDM技术概述

摘要

现代信息社会中,人们对宽带移动通信系统的数据需求量日益增长。为此，未来宽带移动通信系统必须提供更高的传输速率和更优的服务质量。MIMO技术能够利用信号的空时频域特性，可以很好地对抗平坦衰落信道，但对频率选择性信道却无能为力，而OFDM技术可以将频率选择性衰落转化为平坦衰落，MIMO和OFDM两种技术的结合和相互补充，既可以很好地解决未来无线宽带通信系统中信道多径衰落和带宽效率的问题，又能够提高系统容量和传输可靠性，因此采用MIMO 技术的OFDM 系统是现代移动通信的核心技术。本文首先介绍正交频分复用（OFDM）技术和多输入多输出（MIMO）系统的基本原理，简述MIMO-OFDM 技术及其特点，并初步探讨了MIMO-OFDM 系统的关键技术。

关键词：多输入多输出；正交频分复用；MIMO-OFDM；载波；编码

一、引言

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作是一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干比特流，这样每个子数据将具有低得多的比特速率，用这样的低比特速率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，这构成了多个低速率符号并行发送的传输系统。OFDM是对多载波调制(Multi Carrier Modulation)的一种改进，它的特点是各子载波相互正交，所以扩频后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率，可以有效地抵抗频率选择性衰落。

多输入多输出(MIMO)技术是指利用多发送和多接收天线进行空间分集的技术，是无限移动通信领域智能天线技术的重大突破。在无线通信领域，对MIMO的研究源于对多个天线阵元空间分集的性能研究。从20世纪80年代开始，研究学者发现与合并技术结合的多天线空间分集可进一步改善无线链路性能并增加系统容量，Salzzai研究了单用户MIMO高斯信道，以两径传播信道模型分析了空间分集对信道容量和容量分布的影响。Winters讨论了干扰受限的无线系统中，利用多天线空间分集所能带来的容量增益，并明确地指出了增加分集天线数目可以增加系统容量。多输入多输出系统充分开发空间资源，利用多

个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。

二、正交频分复用（OFDM）技术

正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波传输方案，它可以看作是一种调制技术，也可以当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流具有低得多的比特数据流，再去调制成相应的子载波，各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠。在OFDM 系统中，在各个频段上发送的并行数据信号合并成一个独立的复用数据流，这些数据由多个子载波组合而成，然后在OFDM 系统中传输。这样增加了数据的吞吐量，提高了传输速度。传统的FDM系统中，两个信道之间存在较大的频率间隔作为保护带来防止干扰，这样就降低了系统的频谱利用率。因此，OFDM系统比传统FDM 系统具有更高的带宽利用率。

OFDM 通信系统基本模型如图1所示。输入的二元数字序列首先进行串并

串行输入串

并

转

换

·

·

·

编

码

映

射

·

·

S1(t)

S k(t)

I

F

F

T

·

·

·

并

串

转

换

D/A

LPF

上

变

频

信道

噪声

串行输出并

串

转

换

译

码

映

射

·

·

·

均

衡

LPF

A/D

下

变

频

串

并

转

换

F

F

T

·

·

·

·

·

·

·

·

·

图1 OFDM 通信系统基本模型图

转换和编码映射，然后经过快速傅里叶逆变换（IFFT）对编码后的星座点进行基带调制，再经并串转换，D/A 转换及低通滤波后经过上变频送到信道。接收端的处理过程与发送端相反，信道出来的信号先经过下变频，低通滤波(LPF)，A/D 转换及串并转换后，再进行快速傅里叶变换（FFT），然后对所得数据进行均衡，以校正信道失真，最终进行译码判决和并串转换，恢复出原始的二元数字序列。

在OFDM 系统中，符号连续传输，每个传输符号的速率大约在几十bit/s 到几十kbit/s 之间，每个符号的频谱几乎占据了整个系统的可用带宽。当OFDM 符号在无线信道中进行传输时，系统子载波会受到频率选择性作用，产生严重的衰减，从而造成在接收端解调出错误信号。通常错误的出现是连续的，采用前向纠错编码方法(FEC)可以有效地降低错误概率，为了进一步提高系统的性能，可以将串行的数据流转换成并行数据流。OFDM 是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。快速傅里叶变换(FFT)和逆快速傅里叶变换(IFFT)可以分别执行OFDM 系统的调制和解调的功能，快速傅里叶变换优势在于可以大大降低OFDM 系统的计算复杂度。

三、 多输入多输出（MIMO ）系统

在通信两端发送和接收信号称为单输入单输出系统（SISO ），而在通信两端使用多个天线进行发送和接收信号称为多输入多输出系统 （MIMO ）。由于电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰的存在，使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道传输难。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。但对于 MIMO 系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用，因 MIMO 系统在发射端和接收端均采用多天线和多通道，多输入和多输出针对多径无线信道而言的。

MIMO 系统的原理图如图2 所示，传输信息流S(k)经过时空编码形成 N C 1(k)S(k)信源信

源时空编码时空解码天线矩阵···C N (k)R 1(k)···R M (k)

S(k)发射接收

图2 MIMO 系统原理图

个信息子流 C N (k)。这 N 个子流由 N 个天线发射出去，经空间信道后由 M 个接收天线接收。多天线接收利用先进的空时编码处理就能够分开并解码这些数据子流,，从而实现最佳的处理。特别是这 N 个子流同时发送到信道时，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射和接收天线间的通道响应独立， 则MIMO 系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立