4G移动通信中的OFDM-MIMO技术研究

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摘要  介绍了4G移动通信中的OFDM技术、MIMO技术的基本原理及MIMO-OFDM系统的关键技术包括信道估计、同步、分集技术和空时编码技术。MIMO技术与OFDM技术结合，成为4G移动通信中有效对抗频率选择性衰落、提高数据传输速率、增大系统容量的关键技术，是第四代移动通信系统研究的热点问题。
1、引言
    4G将提供高达100Mb/S甚至更高的数据传输速率，支持从语音到多媒体的业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、电视卫星通信等的无缝连接，相互兼容。数据传输速率还可以根据所要的速率不同进行动态调整。在有限的频谱资源上实现如此高速率和大容量，需要提高频谱效率。OFDM技术是可以高效地利用频谱资源并有效地对抗频率选择性衰落。MIMO利用多个天线实现多发多收，在不增加带宽和发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。MIMO和OFDM结合可以克服无线信道频率选择性衰落、增加系统容量、提高频谱利用率，成为4G中关键技术之一，是当今移动通信领域研究的热点。
2、MIMO技术
    MIMO是无线通信领域智能天线的重大突破，它在发送端和接收端使用多天线（或天线阵）同时发送、接收信号，如图1所示，若各发送、接收天线之间的信道冲激响应独立，MIMO就可以创造多个并行的空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，传输速率必然可以增加。

图1　MIMO系统框图

    由于各发送天线同时发送的信号占用同一频段，所以在没有增加带宽的情况下，成倍地提高了系统的容量和频谱利用率在文献[1]、[2]中已经证明，信道容量将会随天线数目的增加而线性增加，如图2所示。由图2可知，当天线数目增多时，系统容量和信噪比几乎成线性关系，同时也证明了MIMO能改善系统性能。

图2　信道容量与天线根数之间关系

3、OFDM技术
    OFDM的思想是使用多个并行的子载波传输数据，并使相邻的子载波间隔等于一个子载波的带宽，子载波间相互正交。在理想情况下，接收端可以利用子载波间的正交性互不干扰地对各子载波进行解调。由于频谱重叠，OFDM系统的频谱利用率提高的幅度与一般的频分复用相比几乎达到一倍。在接收端，经过无线信道后的OFDM信号各子信道间保持了原有的正交性，信道干扰的影响简化为一个复传输常数与一个子信道传输的信号相乘，因此，对信号进行均衡变得很简单。
4、MIMO-OFDM模型
    MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍无能为力，现在一般采用均衡技术和OFDM技术来解决。4G需要高的频谱利用率的技术，但OFDM提高频谱利用率的能力有限，若结合MIMO技术，可以在不增加带宽的情况下提高频谱效率。它利用时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。MIMO-OFDM系统结构图如图3所示。

图3　MIMO-OFDM系统结构图

5、MIMO-OFDM系统关键技术
    5.1　信道估计
    信道估计，就是利用信号的确知信息来估计出实际信道的径数和径的系数，目的是识别每副发送天线与接收天线之间的信道冲激响应。
    目前信道估计有两类：一类是基于训练序列或导频的方法，此类方法在时变信道中，需要周期性地发送训练序列，训练序列的发送要占用信道容量，从而降低了信道利用率，它的好处是估计误差小，收敛速度快；另一类是采用盲方法来进行信道辨别，分为全盲和半盲信道估计。全盲信道估计是利用信道的输出与输入有关的统计信息，在无需知道导频或训练序列的情况下估计信道参数，好处是传输效率高，不足是鲁棒性相对较差、收敛速度慢，而且运算量较大。半盲是结合盲处理和少量导频信号或训练序列，可以克服由码间干扰和不同信号源干扰引起的对盲处理的限制。
    盲方法可以提高信道利用率，更适合于高速数字通信信道，但全盲算法运算量相对较大，而且收敛速度慢，目前还难以实用化。而半盲算法是对盲算法和基于导频法的折衷处理，降低了运算复杂度。可以预计，对盲信道估计的研究将成为MIMO-OFDM系统信道估计的热点。
    5.2　同步
    MIMO-OFDM系统对定时和频偏敏感，因此时域和频率同步特别重要。MIMO-OFDM系统同步问题包括载波同步、符号同步和帧同步。
    载波频率不同步会破坏子载波间的正交性，不仅造成输出信号幅度衰减及信号相位旋转，更严重是带来ICI，同时还会影响到符号定时和帧同步的性能。所以载波同步对MIMO-OFDM系统尤为重要。
    符号定时的目的是为了找到FFT窗的起始位置，使子系统保持正交，且ISI被完全消除或降至最小。可以采用特殊的训练序列或用循环前缀的相关特性进行符号定时。
    帧同步是在OFDM符号流中找出帧的开始位置，在帧头被检测到的基础上，接收机根据帧结构的定义，以不同方式处理一帧中具有不同作用的符号。
    5.3　分集技术
    无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道时变和多径特性引起的，如何在不增加功率和不牺牲带宽情况下，同时减少多径衰落对基站和移动台的影响就显得很重要。唯一方法是采用抗衰落技术，克服多径衰落的有效方法是各种分集技术。
    分集技术目前分为时间分集、频率分集和空间分集等。时间分集是在时域内提供多个信号副本，为获得好的分集效果，要求发送冗余信号的若干时隙之间相互独立。频率分集就是在不同载波频率上提供多个信号副本，要求几个载波频率间隔要大于衰落信道的相干带宽，从而获得比较好的分集增益。空间分集就是采用多个天线发送和接收数据，为保证多个发送或多个接收信号之间的独立性，要求各个天线之间距离要足够大，一般大于若干个波长。
    每一种分集技术都有它的适用的场合，因此在新一代移动通信系统中，必须考虑多种技术的结合。
    5.4　空时编码
    空时编码是有效提高频谱利用率的重要方案之一。目前空时编码方式主要有：1）分层空时码[3]（LST）；2）空时格形码[4]（STTC）；3）空时分组码[5-7]（STBC）；4）空时频编码（STFC）。
    LST的特点是其编解码的过程非常简单，其编码性能是这几种编码方法中最差的，最根本原因是由于它没有实现分集。
    STTC是由AT&T实验室的Tarokh博士领导的科研小组提出的，它是利用格形编码原则，对输入码元进行编码，然后再通过天线阵发射，其优点是具有高的分集增益和编码增益、发射带宽无损失，缺点是其解码复杂度随发射速率的增大而指数增加，其解码过程极其复杂。
    STBC支持最大似然检测（ML），接收端采用线性处理技术，优点是译码复杂度比STTC大大的降低，而且有效的获得了分集增益，并没有展宽带宽，没有牺牲频谱效率，缺点是不能提供任何实质上的编码增益。
    STFC是MIMO-OFDM的一项新技术。STFC-OFDM系统将时间、空间和频率三种分集有效结合在一起，在一定情况下能获得全满的分集增益，从而提高系统的性能。
6、总结
    本文介绍了MIMO-OFDM技术中的关键技术，如信道估计、同步、分集技术和空时编码等。由于MOMO和OFDM技术的结合，既能提高分集增益和系统容量，又能增加频谱利用率，有效对抗频率选择性衰落。因此成为4G移动通信系统研究的热点问题。
参考文献
    [1]　Teletar.Capacity of multi-antenna Gaussian channe.AT&T-Bell Labs, Internal TechMemo, 1995.
    [2]　Foschini G J, Cans M J. On limits of wireless communication in a fading environment when using multiple antennas.Wireless Pers Communication,1998,6(3).
    [3]　Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R.Space-time codes for high data rate wireless communications: performance riterionand code construction[J].IEEE Trans In-form Theory, 1998,44:744-765.
    [4]　Alamouti S M. A simple transmit diversity technique for wireles communications[J].IEEE J Select Areas Commun, 1998,16:1451-1458.
    [5]　Tarokh V, Jafarkhani, Calderbank A R. Space-time block codes from orthogonal designs[J ]. IEEE Trans Inform Theory, 1999,45:1456-1467.
    [6]　Tarokh V, Jafarkhani, Calderbank A R.Space-time block coding for Wireless Communication:Performance Resuits[J]. IEEE J Select Areas Commun,1999,17(3):451-458.