下一代移动通信中MIMO-OFDM技术的研究

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1、引言    新一代移动通信(Beyond3G/4G)将可以提供高达100Mb/s甚至更高数据传输速率，支持从语音到多媒体的业务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。新一代移动通信的另一个特点是低成本。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。将二者有效的结合起来已成为下一代移动通信技术的热点。
   2、MIMO技术简介
    多输入多输出MIMO无线通信技术是指任何一个无线通信系统只要其发射端和接收端都采用了多个天线或天线阵列，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的，如图1所示。传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k)，i=1，……，N。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。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够对这些数据流进行分离和解码，从而实现最佳的处理。

    图1  N根发射天线N根接收天线的MIMO系统框图

    特别是当这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的构筑多条相互独立的通道，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可实现高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。
    3、OFDM简介
    OFDM是一种多载波调制技术。其核心是将信道分成若干个正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。另外，由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IFFT和FFT方法来实现。如图2所示：

    图2  OFDM系统的工作原理

    OFDM已经广泛应用于广播信道方式的宽带数据通信系统中，如数字音频电视(DAB)、高清晰度数字电视(HDTV)以及IEEE802.11a和IEEE802.16a无线局域网标准中(WLAN)。勿庸置疑，OFDM将是下一代移动无线系统中空中接口技术研究的热点之一。
    4、MIMO与OFDM结合的必要性
    从以上分析我们可以看出MIMO和OFDM在各自的应用领域有各自的优点，MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍是无能为力，现在一般采用均衡技术来解决MIMO系统中的频率选择性衰落。还有一种就是OFDM技术，OFDM被认为是下一代移动通信中的核心技术。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毕竟有限。如果结合MIMO技术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。MIMO+OFDM技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性，如果把合适的数字信号处理技术应用到MIMO+OFDM系统中能更好的增强系统的稳定性。另外，OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力。多径时延小于保护间隔使系统不受码间干扰的影响。这样就可以使单频网络使用宽带OFDM系统依靠MIMO技术消除阴影效应。
    5、MIMO+OFDM中的关键技术
    5.1MIMO-OFDM系统模型
    MIMO-OFDM系统模型如图3所示

    图3  MIMO-OFDM发射端的简明方框图

    (1)发射端：信源的比特流经前向纠错编码交织后映射到数字解调器的星座图上，再进入OFDM编码器进行编码。然后输出的符号流相互平行地传输，每一个符号流对应指定的发射天线，并且它们的发射过程是一样的。首先根据导频模型插入导频符号，然后频域内的符号流经FFT反变换成OFDM符号流。每个OFDM符号前加一个循环前缀以减弱信道延迟扩展的影响，每个时隙前加前缀用以定时，最后数据帧经IF/RF器件发射出去。如图4所示。

    图4  MIMO-OFDM接收端的简明方框图

    (2)接收端：接收天线接收来自IF/RF的符号流首先进行同步，包括粗略的频率同步和前缀辅助定时。然后从接收到的符号流中提取出前缀码和循环前缀码，接下来通过FFT变换解调剩下的OFDM符号。在频域内，从解调后的OFDM符号中提取频率导频。然后通过精细的频率同步和定时，准确的提取出导频和数据符号。从所有接收天线中提取出的频率导频是用作信道估计的。这个受信道估计的矩阵辅助MIMO解码器对OFDM符号的解码。最后，经解码后的符号流被发送到接收器。
    5.2同步
    对于MIMO-OFDM系统的同步问题涉及前导序列的设计，时间和频率同步，以及信号检测技术等方面。一般来说，在MIMOOFDM系统在下行和上行链路传播之间都存在同步时隙，用于实施相位和频率对齐。并且实施频率偏差估计。时隙可按以下方式构成：在偶数序号的子载波上发送数据和训练符号，而在奇数序号的子载波上设置为零。这样经过IFFT变化后得到的时域信号就会被重复，有利于信号的检测。
    5.3信道估计
    MIMO-OFDM是一种能够提高速率和增大系统容量的技术。为了提高速率，接收端需要获得精确的信道状态信息。然而对于OFDM系统，不同的信号同时从不同的天线发射出去，接收的信号是这些信号的重叠，这就给信道估计带来了困难。至于导频形式，MIMOOFDM系统有三种信道估计算法，分别是基于分散导频、正交导频、分组导频。相比较而言，第一种算法广泛应用于快衰落和频率选择性衰落信道中。因此，下面我们主要介绍这种方法：
    (1)导频形式
    发射天线的导频形式设计如下：时域内的导频间隔满足抽样定理。根据带有导频的邻近的OFDM符号的信道估计，通过时域插入的方法来估计不带导频的OFDM符号的信道频率响应(CFR)。在MIMO-OFDM信道估计算法中是这样描述的：频域内，导频间隔应满足以下的不等式：
    FFTsize/PSF.M＞MaximumDelay(1)
    其中PSF指的是频域内的导频间隔，MaximumDelay是指在抽样的单位时间内，发射端和接收端之间的多径信道的最大延迟。
    (2)MIMO-OFDM的信道估计
    我们仅仅考虑频域内的信道估计。一对发射和接收天线之间的多径信道的CFR估计算法如下步骤所示：
    ◆接收到的导频序列乘上发射天线中导频序列的变换序列，就得到了基于导频的CFR序列。
    ◆基于导频对CFR序列作FFT反变换，然后得到信道脉冲响应(CIR)序列。
    ◆把这个CIR序列分成相等的M段(M就是发射天线的数目)。这样每一段就是一对收发天线的被估计的CIR。因此每一段经填零后再作IFFT变换(点数和FFT一样)，这样就得到了所有天线的估计。
    5.4MIMO空时处理技术
    目前，MIMO的空时处理技术分为典型的两类：速率最大化和多样最大化。目前它们也正朝着统一融合的方向发展。
    (1)空间复用
    空间复用是指在一定的差错率下，通过不同的天线尽可能多的在空间信道上传输相互独立的数据。现在主要有四种空间复用技术：对角BLAST(贝尔实验室分层空时)、水平BLAST、正交BLAST和TURBOBLAST。其中正交BLAST由于执行起来较简单是最为看好的一种方法。
    (2)空时编码
    目前主要有两种空时编码技术：空时分组码(STBC)和空时格栅编码(STTC)。空时格栅编码建立了空域和时域中信号的内在联系，可以获得高的分集增益，除此之外，还能获得大量的编码增益。但是随着调制星座的大小和状态数的增加，以及编码长度的增加，译码的复杂性也增大。而STBC基于正交性的设计，可以获得更大的分集增益同时也降低了译码的复杂度，因此STBC是目前最广泛的应用。著名的Alamouti编码就是STBC的一个特例，它采用两根发射天线，空频分组码(SFBC)也是基于STC的基础上的，STBC设计的前提是假设信道是快衰落的，因此时间或频率选择性信道将降低STBC和SFBC的性能。根据信道是时间选择性信道还是频率选择性信道来选择应用STBC或SFBC。不管信道的时延扩展如何，当且仅当信道在时域内是慢变化的，而且终端慢速移动时，我们才使用STBC。相似的，不管终端的移动速度如何，当且仅当信道在频域内是慢变化的而且信道延迟扩展较小时，我们才使用SFBC。如何构造性能更好，而且译码简单的空时编码也是目前的一个研究热点。
    5.5纠错编码技术
    信道编码在现代数字通信中无疑扮演着重要的角色。一种合理的编码方案总是和特定的通信系统的要求联系在一起的。GSM系统提供的是低比特率的语音服务和一些数据服务，在一些重要的比特上结合使用分组码和卷积码。第三代移动通信系统则要求有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率的数据传输，除了卷积码外还首次采用了Turbo码。在未来的4G系统中Turbo码和LDPC码(低密度奇偶校验码)是前向纠错编码方案的研究热点。
    5.6自适应调制和编码技术(AMC)
    时变的无线信道条件和时变的系统容量是无线移动通信系统的两个重要的特点。未来的系统要求提供大动态范围内的数据速率，在实际应用的频谱范围内，为了满足这种要求，提高频谱利用率，降低发射功率的需求，必须采用自适应调制和编码技术。AMC是一种信息速率调整技术，现在应用于HSPDA和IEEE802.16中。
    AMC所遵循的原则是：服从系统限制的条件，基于信道条件的瞬时变化来改变调制和编码的方式。对于一个AMC系统来说，靠近小区中心的用户采用的是高速率调制和编码。相反，靠近小区边缘的用户采用较低速率的调制和编码。
    AMC的执行也有一些困难，首先，AMC对信道的差错和延迟的测量很灵敏。为了选择合适的调制方法，必须考虑信道的质量性能。如果对信道的估计有错就有可能选择了错的速率，或是发射功率过大，浪费了系统的容量，或是发射功率过低，提高了分组的差错率。有关信道测量报告的延迟也会减少信道质量估计的可靠性，而且接口的变化也会增加测量的错误。
    6、总结
    本文介绍了MIMO-OFDM技术概念的和关键技术，如信道估计、空时处理技术、纠错编码技术、自适应调制和编码技术等。由于MIMO-OFDM系统提供了更高的速率和频带利用率，已成为下一代移动通信技术研究的热点。