4G无线通信中的MIMO-OFDM技术

admin

信息通信  许光斌  周围        摘要
        第四代移动通信提供高的数据传输速率，而MIMO和OFDM提高了频谱效率，从而提供高传输速率和系统容量的技术。两者的结合已经成为第四代移动通信技术研究中的热点。通过这两种技术的优势互补，可以为系统提供高传输速率，同时也能提高系统容量,降低成本。文中详细介绍了这两种技术及信道估计。
        一、引言
        目前没有第四代移动通信的确切定义，但比较认同的解释是：“第四代移动通信的概念可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的和超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作的广播网络和卫星系统等。此外，第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s甚至更高，也是宽带接入IP系统”。简单而言，4G是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路。这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量,需要频谱效率极高的技术。MIMO技术充分开发空间资源,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。OFDM技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交,可以高效地利用频谱资源，另外，OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此充分开发这两种技术的潜力,将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案，下面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。
        二、MIMO技术
        MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）系统示意图如图1所示，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量（如差错率）或提高通信效率（如数据速率）。MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素，然而对于MIMO来说，多径可以作为一个有利因素加以利用，MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，MIMO技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因此它能够在不增加所占用的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。假定发送端有N个发送天线，有M个接收天线，在收发天线之间形成M×N信道矩阵H，在某一时刻t，信道矩阵为：

        其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。对于信道矩阵参数确定的MIMO信道，假定发送端不知道信道信息，总的发送功率为 ，与发送天线的数量M无关；接收端的噪声用N×1向量n表示，是独立零均值高斯复变量，各个接收天线的噪声功率均为 ；发送功率平均分配到每一个发送天线上，则容量公式为：

        令M不变，增大N，使得 ，这时可以得到容量的近似表达式：

        从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以成倍提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。

    图1 MIMO系统框图

        三、OFDM技术
        根据多径信道在频域中表现出来的频率选择性衰落特性，提出正交频分复用的调制技术。如图2所示，正交频分复用的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输，在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立传输。如果每个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的，即每个子信道都可看作无符号间干扰（ISI）的理想信道，这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地解调。在OFDM系统中，在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，消除OFDM符号之间的干扰。
        但是要注意，在发送端实际发送1个OFDM时域序列的长度为Nd+Nc，Nd是一个OFDM符号能够传送的频域符号数，加在前面长度为Nc的序列称为循环前缀（CyclicPrefix）或防护间隔（GuardInterval），利用它使得前—OFDM符号对当前OFDM符号的干扰只影响到循环前缀部分，不会对当前OFDM符号造成影响，这就有效地消除了OFDM符号之间的干扰（ISI）。引入循环前缀会使系统的传输效率有所下降，但这是为保证OFDM子载波之间的正交性和消除OFDM符号间干扰所必须付出的代价。OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：
        （1）频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。
        （2）抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。
        （3）采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道，每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原则。
        （4）通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。
        （5）基于离散傅立叶变换（DFT）的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调，易用DSP实现。

    图2 OFDM系统框图

        四、MIMO与OFDM的结合
        MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，4G需要极高频谱利用率的技术，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO-OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。下面给出MIMO-OFDM的结合方案。

    图3 MIMO-OFDM系统框图

        在本方案中的数据进行两次串并转换，首先将数据分成N个并行数据流，将这N个数据流中的第n（n∈[1，N]）个数据流进行第二次串并转换成L个并行数据流，分别对应L个子载波，将这L个并行数据流进行IFFT变换，将信号从频域转换到时域，然后从第n（n∈[1，N]）个天线上发送出去。这样共有NL个M-QAM符号被发送。整个MIMO系统假定具有N个发送天线，M个接收天线。在接收端第m（m∈[1，M]）个天线接收到的第l个子载波的接收信号为：

        其中Hm,n,l是第l个子载波频率上的从第n个发送天线到第m个接收天线之间的信道矩阵，并且假定该信道矩阵在接收端是已知的，Cn,l是第个子载波频率上的从第n个发送天线发送的符号，ηm,l是第l个子载波频率上的从第m个接收天线接收到的高斯白噪声。这样在接收端接收到的第l个子载波频率上的N个符号可以通过V-BLAST算法进行解译码，重复进行L次以后，NL个M-QAM符号可以被恢复。
        4.1MIMO-OFDM的信道估计
        在一个传输分集的OFDM系统中，只有在收端有很好的信道信息时，空时码才能进行有效的解码。估计信道参数的难度在于，对于每一个天线每一个子载波都对应多个信道参数。但好在对于不同的子载波，同一空分信道的参数是相关的。根据这一相关性，可以得到参数的估计方法。MIMO-OFDM系统信道估计方法一般有三种：非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。下面分别对这三种信道估计方法进行简单介绍。
        4.1.1非盲信道估计
        非盲信道估计是通过在发送端发送导频信号或训练序列，接收端根据所接收的信号估计出导频处或训练序列处的信道参数，然后根据导频或训练序列处的信道参数得到数据信号处的信道参数。当信道为时变信道时，即使是慢时变信道，也必须周期性的发射训练序列，以便及时更新信道估计。这类方法的好处是估计误差小，收敛速度快，不足是由于发送导频或训练序列而浪费了一定的系统资源。
        4.1.2盲信道估计
        盲信道估计是利用信道的输出以及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。其好处是传输效率高，不足是鲁棒性相对较差、收敛速度慢，而且运算量较大。
        4.1.3半盲信道估计
        半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来的，它利用尽量少的导频信号或训练序列来确定盲信道估计算法所需的初始值，然后利用盲信道估计算法进行跟踪、优化，获得信道参数。由于盲信道算法运算复杂度较高，目前还存在很多问题，难以实用化。而半盲信道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上进行折衷处理，从而降低运算复杂度。可以预计，对盲及半盲信道估计的研究将成为MIMO-OFDM信道估计研究的热点。
        五、结束语
        在未来的宽带无线通信系统中存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响，而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，将OFDM和MIMO两种技术相结合就能达到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性，同时，在MIMO-OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。MIMO-FDM技术是OFDM与MIMO技术结合形成的新技术，通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，充分利用了时间、频率和空间3种分集技术，大大增加了无线系统对噪声、干扰、多径的容限。因此，基于OFDM的MIMO系统具有逼近极限的系统容量和良好的抗衰落特性，可以预见，它将是下一代网络采用的核心技术。