MIMOOFDM技術(shù)

1、MIMO-OFDM技術(shù)MIMO-OFDM技術(shù)1 MIMO技術(shù)無線通信的不可靠性主要是由無線衰落信道的時變和多徑特性引起的，如何有效地對抗無線信道的衰落是高速移動通信必須要解決的問題。在無線通信系統(tǒng)中提高信息傳輸可靠性的一種有效手段是采用分集技術(shù)，以多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)為代表的空間分集技術(shù)是當前的優(yōu)選方案之一。MIMO的意思是Multiple Input Multiple Output，其原理為MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道。任何一個無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個無線MIMO系統(tǒng)。MIMO技術(shù)是現(xiàn)代通信的一大突

2、破，該技術(shù)提供了解決未來無線網(wǎng)絡傳輸瓶頸的方法。MIMO技術(shù)的核心思想是信號的空間-時間聯(lián)合處理，即把數(shù)字信號固有的時間維度與多個空間分離天線帶來的空間維度聯(lián)合起來。在某種意義上，MIMO技術(shù)也可以看作是傳統(tǒng)智能天線技術(shù)的擴展。1.1 概述聯(lián)合考慮發(fā)送分集和接收分集就構(gòu)成了多輸入多輸出（MIMO，Multi-Input Multi-Output）系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠獲得更大的分集增益。MIMO系統(tǒng)的重要特征是能夠利用無線通信的多徑傳播特性來提高系統(tǒng)的性能，即能夠有效地利用無線鏈路中的隨機衰落和延遲擴展特性來成倍地提高傳輸?shù)乃俾驶蚩煽啃浴?.2 分集技術(shù)為了保證無線通信的可靠傳輸，主要用于補償信道衰

3、落損耗的分集技術(shù)是其中一種十分有效的方法。分集技術(shù)，是指在通信的過程中，系統(tǒng)要能夠提供發(fā)送信號的副本，使得接收機能夠獲得更加準確的判斷。根據(jù)獲得獨立路徑信號的方法的不同可以分為時間分集、頻率分集和空間分集等。其中，空間分集技術(shù)沒有時延和環(huán)境的限制，能夠獲得更好的系統(tǒng)性能，可以分為接收分集和發(fā)射分集。傳統(tǒng)的空間分集主要是接收分集，在這種接收方式中接收機對它收到的多個衰落特性相互獨立但攜帶同一信息的信號進行特定的處理，以降低信號電平的起伏，這樣顯然會導致接收機的復雜度增加。而發(fā)射分集只需要在基站端增加天線，實現(xiàn)起來相對簡單，因而得到了廣泛關(guān)注。所有的發(fā)射分集技術(shù)本質(zhì)上都具有一個共同點，那就是要使各

4、個發(fā)射天線到達接收機端的信號相互獨立，而且無論采用什么方法，接收機都必須能夠區(qū)別出來自不同天線的信號，然后將它們合并在一起，從而獲得分集增益。1.3 MIMO系統(tǒng)圖1.1 MIMO系統(tǒng)示意圖MIMO系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)智能天線的優(yōu)點，圖1.1所示為多天線MIMO系統(tǒng)示意圖，二進制數(shù)據(jù)流經(jīng)過信道編碼、調(diào)制映射后通過發(fā)送天線發(fā)送出去，不同的映射方法將產(chǎn)生不同數(shù)量的符號流，然后不同的符號流傳送到不同的天線上進行發(fā)送。映射可以是天線元素的線性空間加權(quán)，也可以是線性空時編碼。然后經(jīng)過上變頻、成形濾波器和功率放大后，符號被發(fā)送到空間無線鏈路中。在接收端，利用多個天線接收發(fā)送的信號，然后經(jīng)過解調(diào)、逆映射后恢復出原

5、始信息。具體的編碼方法和映射算法根據(jù)不同的應用目的可以自由選擇。綜上，MIMO系統(tǒng)中多個天線上的信號在更大的空間上被優(yōu)化處理了，所以可以提供額外的自由度。這就是說，除了不同天線元組之上的信號相干合并帶來的陣列增益外，MIMO系統(tǒng)還能夠提供發(fā)送和接收分集增益。此外，MIMO系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是在矩陣形式的信道而不是矢量形式的信道中傳輸?shù)?，因此除了上述的分集和陣列增益外，MIMO還會帶來系統(tǒng)容量的增加。MIMO系統(tǒng)中多個信道之間的獨立性取決于系統(tǒng)中多徑的富有程度（MIMO信道的空間選擇性），因此MIMO系統(tǒng)能有效利用系統(tǒng)的多徑特性。通常，用MIMO信道矩陣的秩來表示系統(tǒng)中獨立信道的個數(shù)，顯然信道矩陣的秩

6、比發(fā)射天線和接收天線的個數(shù)都要小。通過線性代數(shù)分析可知，安全通過MIMO系統(tǒng)發(fā)送的信息符號的最大值為矩陣的秩。就工程意義而言，無線鏈路的頻譜效率是由發(fā)送的信息流數(shù)據(jù)和誤比特率（BER）共同決定的，實際系統(tǒng)中通過對多個天線上的比特流進行空時編碼處理，可以大大降低誤比特率。2 MIMO-OFDM技術(shù)2.1MIMO-OFDM的基本思想眾所周知，在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個嚴峻的挑戰(zhàn)，即多徑衰落信道和帶寬效率。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)變成平坦信道，從而減小了多徑衰落的影響；而MIMO技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道同時傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就有效地增加了系統(tǒng)容童，即由MI

7、MO提供的空間復用技術(shù)能夠在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜利用率。如果將OFDM和MIMO兩種技術(shù)相結(jié)合，就能夠達到兩種效果：一是通過復用系統(tǒng)具有很高的系統(tǒng)容童和頻譜利用率，二是通過分集系統(tǒng)具有很高的系統(tǒng)可靠性。同時，在多輸入多輸出正交頻分復用（MIMO-OFDM）系統(tǒng)中加入合適的數(shù)字信號處理的算法，即空時編碼，還可以更好地增強系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。2.2空時編碼技術(shù)從信息論的角度看，多天線MIMO系統(tǒng)在信道容量上比單天線系統(tǒng)有顯著的提高，這些增加的信道容量可以用來提高信息傳輸速率，也可以在保持信息傳輸速率不變的情況下通過增加信息冗余來提高通信系統(tǒng)的可靠性，一般可以在兩者之間取一合理的折衷?？諘r編

8、碼（Space-Time-Code）技術(shù)是在1998年由Vahid Tarokh等人提出的一項基于發(fā)射分集的技術(shù)，其主要思想是：在發(fā)射端，采用適合多天線傳輸?shù)木幋a技術(shù)，保證在多數(shù)信道情況下獲得比較好的性能，同時在接收端進行相應的信號處理，就能夠獲得很大的性能增益，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸?？諘r編碼本質(zhì)上是在時間和空間上的二維編碼，它可以降低無線通信系統(tǒng)對多徑衰落的敏感程度，在限定發(fā)射總功率的情況下可以提高信息傳輸?shù)目煽啃裕谙嗤a率的前提下，又能大大提高無線通信系統(tǒng)的傳輸效率，其頻譜有效性可以達到當前系統(tǒng)的幾十倍。MIMO系統(tǒng)中的編碼方法主要有：空時分組編碼（Space-Time Block C

9、oding，STBC）、空時格狀編碼（Space-Time Trel is Coding,STTC）和分層空時編碼(Layered Space-time Coding,LSTC)。前兩種方法重在提高傳輸可靠性，屬于空時編碼的范疇；后者重在提高頻譜利用率，屬于空時復用技術(shù)的范疇。2.3 MIMO-OFDM 系統(tǒng) 圖2.1 MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的系統(tǒng)框圖圖2.1所示為MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的系統(tǒng)框圖，從圖中可以看出，輸入的信息比特流經(jīng)過一個串并變換器變成多路輸入的數(shù)據(jù)流，以實現(xiàn)多天線的輸出。對于每一路信號，都要經(jīng)過信號映射，其中不僅包括了對輸入數(shù)據(jù)流的星座映射，而且還涉及了具體的編碼

10、調(diào)制等。映射后的每一路信號變換成一定子載波數(shù)量的數(shù)據(jù)流作為接下來的 IFFT的輸入，而加入循環(huán)前綴的目的是為了在每個OFDM的符號間加上保護間隔，減小OFDM的符號間干擾。圖2.2所示為MIMO-OFDM系統(tǒng)接收端的系統(tǒng)框圖，從圖中可以看出，接收到的每一路OFDM數(shù)據(jù)流首先要經(jīng)過一個去除循環(huán)前綴的處理，把OFDM符號的有用部分提取出來用于FFT變換。每個FFT變換產(chǎn)生的第i路數(shù)據(jù)流中包含相同發(fā)射端的輸入信息，因此要將這樣的數(shù)據(jù)流經(jīng)過相同的空間多路檢測器，進行檢測判決，最后數(shù)據(jù)流通過一個并串變換器送入到解調(diào)器。 圖2.2 MIMO-OFDM系統(tǒng)接收端的系統(tǒng)框圖上述的圖2.1和圖2.2給出完整的基

11、于空間復用的MIMO-OFDM系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)能夠同時利用空間復用技術(shù)和OFDM技術(shù)的特點，有利于提高系統(tǒng)的容量和傳輸速率。通過多路數(shù)據(jù)流在發(fā)送天線的同時發(fā)射，可以實現(xiàn)在相同帶寬情況下的多路空間并行信道，不僅發(fā)揮了OFDM技術(shù)和空間復用技術(shù)的優(yōu)勢，同時有效地利用了空間的并行性和頻率選擇性。在接收判決的一方，需要采用將接收信號轉(zhuǎn)化成若干個子信號分別進行OFDM子載波處理的方式。3 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的空時編碼技術(shù)3.1空時編碼（STC）技術(shù)（1）空時分組編碼（STBC）空時分組編碼技術(shù)是將發(fā)送分集與正交編碼相結(jié)合，具有相對簡單的編譯碼算法和較好的性能，而且容易實現(xiàn)，受到了廣泛關(guān)注。STBC

12、實質(zhì)上是將同一信息經(jīng)過正交編碼后從兩根天線上發(fā)送出去，兩路信號由于具有正交性，在接收端可以將兩路獨立的信號區(qū)別出來，然后只需要做簡單的線性合并就可以獲得分集增益。（2）空時格狀編碼（STTC） 空時格狀編碼是在空時延遲分集和格狀碼的基礎上提出的，主要是將發(fā)送分集與格狀編碼調(diào)制相結(jié)合，空時延遲分集可以看作是空時格狀碼的一個特例。圖3.1 延時發(fā)送分集 圖3.1所示為早期采用的延時發(fā)送分集的模型框圖，圖中編碼后的數(shù)據(jù)首先被重復一次，然后通過一個串并變換器，分成兩個完全相同的數(shù)據(jù)流。其中一路數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制后直接從一個天線發(fā)送出去;另一路數(shù)據(jù)流經(jīng)過一個符號的延時后，再經(jīng)調(diào)制從另一個天線發(fā)送出丟。由于數(shù)

13、據(jù)在兩個天線上同時發(fā)送，不同的只是一路數(shù)據(jù)被延時了一個符號，所以盡管采用了延時編碼，卻不會存在頻帶效率的損失。在接收端，通過Viterbi譯碼進行解調(diào)。這種延時的分集就是空時編碼的雛形。STTC就是由上述的延時發(fā)送分集來實現(xiàn)的，它具有卷積碼的特性，將編碼、調(diào)制、發(fā)射分集結(jié)合在一起，能夠在不增加傳送帶寬和不改變信息速率的情況下，獲得最大的編碼增益和分集增益，并且使得系統(tǒng)的性能有很大提高。STTC是利用某種網(wǎng)格圖，將同一信息通過多根天線發(fā)射出去，在接收端，采用基于歐氏距離的Viterbi譯碼器譯碼。由于譯碼復雜度將隨著傳輸速率的增加呈指數(shù)級增加，所以在實際的應用中，需要在編碼和分集之間取一折衷。（

14、3）分層空時編碼(LSTC)分層空時編碼是基于空間復用的，它是最早的MIMO技術(shù)之一。其墓本思想是:首先將高速的信源數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換為若干個低速數(shù)據(jù)流，獨立地進行分層的空時編碼、調(diào)制，然后再按照一定的規(guī)則送到多副天線上發(fā)送，由于在不同發(fā)送天線上傳輸?shù)姆栔g投有直接的變換關(guān)系，因而它不是荃于發(fā)送分集的。 在分層空時編碼模型的接收端，需要用多個天線分集接收，信道參數(shù)通過信道估計獲得，結(jié)合線性判決反饋均衡器實現(xiàn)分層的反饋干擾抵消，然后進行分層空時譯碼，再由單個信道譯碼器完成信道譯碼。圖3.2和圖3.3分別為分層空時編碼的發(fā)送和接收模型框圖。 圖3.2 分層時空編碼發(fā)送模型框圖 圖3.3 分層時空編碼接

15、收模型框圖基于空間復用考慮的分層空時編碼系統(tǒng)比較適合于室內(nèi)環(huán)境，不太適合于室外移動環(huán)境，而且要求接收天線數(shù)目必須大于或等于發(fā)送天線數(shù)目，接收天線較多時利于提高檢測的性能(檢側(cè)時需要信道知識)。分層空時編碼的優(yōu)點是當接收天線數(shù)大于發(fā)送天線數(shù)時，其系統(tǒng)容量與發(fā)送天線數(shù)成正比例增長。 綜上所述，空時編碼技術(shù)的形成條件之一，就是對信號進行多天線發(fā)送和多天線接收。從廣義的角度來看，在發(fā)送和接收兩端就形成了MiMO信道，因此可以將空時編碼技術(shù)和OFDM的結(jié)合看成是MIMO-OF3jM系統(tǒng)的特例。3.2 STC-OFDM系統(tǒng) 由于信號在實際的無線信道中傳播時，存在多徑效應，發(fā)送信號的時域波形會被展寬，在頻域

16、表現(xiàn)為頻率選擇性衰落，這會使傳輸信號之間發(fā)生符號間干擾(ISI),將極大地影響無線通信系統(tǒng)的性能.一般可以采用下面的方法來消除MIMO寬帶傳輸系統(tǒng)中的ISI:一是在接收機中利用均衡器對接收到的信號進行預先處理使得信號能夠得到較正確的恢復;二是采用正交頻分復用技術(shù)。由于多天線系統(tǒng)的信道參數(shù)比較多，均衡器運算量會很大，而OFDM技術(shù)可以有效地將頻率選擇性信道變換為平坦衰落信道，因此結(jié)合了OFDM技術(shù)，就可以利用多天線系統(tǒng)在窄帶信道中的傳輸方法來解決系統(tǒng)中的ISI問題。圖3.4 STC-OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的結(jié)構(gòu)框圖 圖3.4所示為STC-OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的結(jié)構(gòu)框圖。通常情況下STC-OFDM是將輸

17、入的信息流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，對得到的k路數(shù)據(jù)(k，子載波個數(shù))分別進行空時編碼的調(diào)制，每一路數(shù)據(jù)的編碼結(jié)果都是N路輸出信號N，發(fā)射天線的個數(shù))，這樣就能得到k組包含N路信號的輸出結(jié)果。然后，對這樣的結(jié)果進行重新排列，就能得到每一組OFDM的輸入信號。經(jīng)過IFFT變換以后，從相應的天線上發(fā)送傳輸。也就是說，要在OFDM系統(tǒng)中使用空時碼，就要在每一個子載波上進行空時編碼，然后再進行IFFT調(diào)制。相應地，在接收端先進行FFT解調(diào)，再對每個子載波上的數(shù)據(jù)流進行空時解碼。 STC-OFDM系統(tǒng)可以得到的最大分集增益為發(fā)送天線數(shù)、接收天線數(shù)以及可分離的多徑數(shù)目的乘積，它可以最大限度地利用系統(tǒng)的分集資源。 （2

18、) STBC-OFDM系統(tǒng) 空時分組編碼技術(shù)具有相對簡單的編譯碼算法和較好的性能，適合于現(xiàn)有系統(tǒng)。圖3.5為具體的STBC-OFDM系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)中假設發(fā)送端不知道信道的傳輸特性，在接收端可以進行準確地估計，在一個編碼STBC-OFDM符號內(nèi)信道保持相對穩(wěn)定，而在不同的編碼STDC-OFDM符號之間可以發(fā)生改變。同時還假設不同發(fā)送、接收天線對之間的距離足夠遠，即它們之間滿足互相獨立的條件。由于OFDM的正交性調(diào)制，不同的子載波信號之間相互正交，所以接收端可以將各子載波信號進行分離，然后再對各子載波進行獨立譯碼。圖3.5 STBC-OFDM系統(tǒng)框圖 STBC-OFDM系統(tǒng)和STC-OFDM系統(tǒng)的

19、區(qū)別在于，系統(tǒng)中的每一個子載波系統(tǒng)都可以等效為若千獨立的輸出支路而且各輸出支路可以進行獨立譯碼.在得到各子載波上各等效支路的輸出信噪比后，可進一步進行性能估計。由于各獨立的輸出支路具有完全相同的接收信噪比，所以各獨立輸出支路的誤符號差錯性能即為各子載波的差錯性能，也就是整個STBC-OFDM系統(tǒng)的差錯性能。在頻率選擇性瑞利衰落條件下，STBC-OFDM系統(tǒng)可以獲得的最大分集增益為發(fā)送天線數(shù)、接收天線數(shù)以及可分離的多條路徑數(shù)目的乘積，它最大限度地利用了系統(tǒng)中所有可用的分集資源，而系統(tǒng)復雜度要低于STC-OFDM系統(tǒng)。 綜上所述，OFDM系統(tǒng)克服了頻率選擇性衰落，為MIMO技術(shù)的應用提供了一個很好