MIMO-OFDM系統(tǒng)報告

1、MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的原理與仿真組員：張浩元，周龍，韓浦霞，王雪， 孫萬飛，邱會麗，李凱2015年11月5日課題研究背景及意義 隨著信息時代的到來，信息的交流與傳遞越來越受到人們的重視。而為了能隨時隨地，及時可靠地進(jìn)行信息交流以提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效率，移動通信技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展使之成為可能。到目前為止，移動通信系統(tǒng)共經(jīng)歷了四代的技術(shù)革新。第一代的典型代表是美國的AMPS（高級移動電話系統(tǒng)）和后來改進(jìn)型的TACS（總接入通信系統(tǒng)）等，主要特點采用頻分復(fù)用，語音信號為模擬調(diào)制。第二代為以GSM（泛歐數(shù)字移動通信網(wǎng)）和IS-95為代表的數(shù)字移動通信體系，主要以傳輸話音和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為目的，而為

2、了解決中速數(shù)據(jù)傳輸問題，還出現(xiàn)了2.5代如GPRS和IS-95B。第三代移動通信則是覆蓋全球的多媒體移動通信，以CDMA（碼分多址）為技術(shù)基礎(chǔ)，可實現(xiàn)全球漫游，是任意時間，任意地點任，意任意人之間的交流成為可能。第四代也就是目前已經(jīng)開始投入使用的最新的的通信系統(tǒng)，是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，比第三代更接近于個人通信，而MIMO-OFDM正是第四代移動通信系統(tǒng)所采用的一項先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用對提高整個系統(tǒng)的效率和可靠性有著舉足輕重的意義，因此本課題以MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的原理為研究對象。目錄MIMO-OFDM系統(tǒng)概述MIMO-OFDM系統(tǒng)峰值平均功率比MIMO系統(tǒng)的容量MIMO-OF

3、DM系統(tǒng)的信道估計MIMO-OFDM系統(tǒng)自適應(yīng) MIMO- OFDM系統(tǒng)概述OFDM系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)MIMO-OFDM系統(tǒng)概述MIMO系統(tǒng)的介紹系統(tǒng)的介紹 傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)是采用一個發(fā)送天線和一個接收天線的通信系統(tǒng)，即所謂的單輸入單輸出（SISO）天線系統(tǒng)。但是由于香農(nóng)容量限制使得SISO系統(tǒng)的信道容量有著無法突破的瓶頸，因此為了有效提高系統(tǒng)容量，從不同角度入手有著不同的方法，而綜合考慮代價和可行性，近年來提出了在收發(fā)兩端同時采用陣列天線的系統(tǒng)，具體即發(fā)送端天線采用陣列結(jié)構(gòu)，接收端使用多元天線來獲得接收分集，該系統(tǒng)即為多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)。 下圖是一個MIMO系統(tǒng)的基本框圖，從下圖可

4、以看出，MIMO技術(shù)在發(fā)射端和接收端都采用了像空間多元感應(yīng)器一樣的多元天線陣列，這樣可以從散射的空間無線信道中分別解調(diào)出標(biāo)記有不同空間特性的空間分量，好像在一條道路上開辟出具有不同功能的互不干擾的通道，把這種解調(diào)技術(shù)獲得的增益稱為“空間分集增益”。MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖MIMO系統(tǒng)的優(yōu)缺點 （1）MIMO 技術(shù)的應(yīng)用使空間成為一種可以用于提高性能的資源，并能夠增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。 （2）在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，頻譜利用率可以成倍地提高。 （3）利用MIMO技術(shù)可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。MIMO系統(tǒng)的優(yōu)缺點 （1）空間相關(guān) （2

5、）空間干擾 由于MIMO技術(shù)能夠在不增加帶寬的情況下成倍提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，同時在通信距離、吞吐量和可靠性方面較單天線系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，因此目前在無限局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)和移動通信中受到青睞。OFDM系統(tǒng)的介紹系統(tǒng)的介紹 OFDM(正交頻分復(fù)用)是一種特殊的多載波傳輸方案，可以看做是一種調(diào)制技術(shù)，也可以看做是一種復(fù)用技術(shù)。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解成若干子比特流，這樣每個子數(shù)據(jù)流將具有低的多的比特速率，用這樣的低比特速率形成的低速率多狀態(tài)符號再去調(diào)制相應(yīng)的子載波就能構(gòu)成多個低速率符號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的FDM（頻分復(fù)用）多載波調(diào)制技術(shù)相比，OFDM的最大特點是各子載波相互正交，

6、所以擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，減小了子載波間的相互干擾的同時還大大提高了頻譜利用率。 OFDM的基本原理圖如下圖所示：OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖OFDM系統(tǒng)的優(yōu)缺點 （1）在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)； （2）OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化； （3）該技術(shù)可以自動地檢測到傳輸介質(zhì)下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信； （4） OFDM技術(shù)特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號散播的地區(qū)； （5） OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾； （6） 可以有效地對抗信

7、號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸； （7） 通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力； （8） OFDM技術(shù)抗窄帶干擾性很強(qiáng)； （9） 可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實現(xiàn)方法； （10）信道利用率很高。OFDM系統(tǒng)的優(yōu)缺點 （1）對相位噪聲和載波頻偏十分敏感； （2）峰均比過大； （3）所需線性范圍寬。MIMO-OFDM系統(tǒng)概述MIMO-OFDM系統(tǒng)組合的必要性 在高速寬帶無線通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落和帶寬效率是信號傳輸過程中必須考慮的幾個關(guān)鍵問題。多徑效應(yīng)會引起信號的衰落，因而被視為有害因素。然而MIMO系統(tǒng)是針對多徑無線信道而產(chǎn)生的，在一定

8、程度上可以利用傳播過程中產(chǎn)生的多徑分量，多徑效應(yīng)對其影響并不大，反而可以作為一個有利因素加以使用。但MIMO對于頻率選擇性衰落仍無法避免，而解決頻率選擇性衰落問題恰恰正是OFDM的一個長處。MIMO-OFDM系統(tǒng)概述MIMO-OFDM系統(tǒng)組合的必要性 OFDM技術(shù)實質(zhì)上是一種多載波窄帶調(diào)制，可以將寬帶信道轉(zhuǎn)化成若干個平坦的窄帶子信道，每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，所以每個子信道上的頻率選擇性衰落可以看作是平坦性衰落。 OFDM被認(rèn)為是第四代移動通信中的核心技術(shù)，然而4G需要高的頻譜利用技術(shù)和高速傳輸系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)傳輸速率，使用OFDM技術(shù)的無線通信網(wǎng)就必須增加載波的數(shù)量，

9、而這種方法會造成系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，并增大系統(tǒng)的占用帶寬。而MIMO多天線技術(shù)能在不增加帶寬的情況下，在每一個窄帶平坦子信道上獲得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜效率，是一種利用空間資源換取頻譜資源的技術(shù)。MIMO-OFDM系統(tǒng)概述MIMO-OFDM系統(tǒng)組合的必要性 因此MIMO-OFDM系統(tǒng)的提出是無線通信領(lǐng)域的重大突破，其頻譜利用率高、信號傳輸穩(wěn)定、高傳輸速率等基本特性能夠滿足下一代無線傳輸網(wǎng)發(fā)展要求。MIMO-OFDM系統(tǒng)內(nèi)組合了多輸入和多輸出天線和正交頻分復(fù)用調(diào)制兩大關(guān)鍵技術(shù)。這種系統(tǒng)通過空間復(fù)用技術(shù)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又可以通過空時分集和正交頻分復(fù)用達(dá)到很強(qiáng)的

10、可靠性和頻譜利用率。MIMO-OFDM系統(tǒng)的介紹系統(tǒng)的介紹MIMO-OFDM系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如下圖所示： MIMO-OFDM系統(tǒng)峰值平均功率比MIMO-OFDM系統(tǒng)峰值平均功率比 OFDM技術(shù)與MIMO技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的MIMO-OFDM技術(shù)實現(xiàn)了兩者性能上的優(yōu)勢互補(bǔ),但作為多載波系統(tǒng),MIMO-OFDM同樣面臨著峰均功率比PAPR (Peak to Average Power Ratio)過高的問題。過高的PAPR值,會使信號通過功率放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等器件時產(chǎn)生非線性失真,在子信道間引入破壞正交性的諧波干擾，進(jìn)而改變信號頻譜,最后使系統(tǒng)性能惡化。因此，在考慮當(dāng)前系統(tǒng)物理性能成本時，能有效降低MIM

11、O-OFDM系統(tǒng)信號PAPR的技術(shù)具有重大實際意義與應(yīng)用價值。對于OFDM系統(tǒng)已有的PAPR降低算法,基本可歸為信號畸變類技術(shù)、概率類技術(shù)、編碼類技術(shù)三大類。峰均比問題的由來 OFDM系統(tǒng)采用多載波傳輸方式，在時域上OFDM信號為N個獨立調(diào)制的正交子載波信號的疊加。當(dāng)N個子載波相位一致，以同相求和時，就會造成很大的峰值出現(xiàn)，這正是OFDM系統(tǒng)具有高PAPR的主要原因。由中心極限定理可知，當(dāng)子載波數(shù)比較大時，OFDM信號的實部和虛部近似高斯分布，其振幅大小將趨于瑞利分布，其包絡(luò)具有不穩(wěn)定性。極高的PAPR會導(dǎo)致OFDM信號經(jīng)過非線性放大器時，容易超過器件線性范圍，則會引起OFDM信號失真，明顯地

12、產(chǎn)生帶內(nèi)失真和帶外輻射，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率的快速升高。所以，OFDM信號的峰均比的大小，對OFDM系統(tǒng)性能產(chǎn)生直接的影響。對于多載波傳輸系統(tǒng)而言，峰均比主要決定于子載波的個數(shù)，隨子載波個數(shù)的增加而增大，而對所采用的調(diào)制方式并不敏感。OFDM系統(tǒng)峰均比的定義在OFDM系統(tǒng)中, 經(jīng)過IFFT運(yùn)算之后得到的輸出信號可以表示為：輸出信號PAPR定義為：由于OFDM信號是由多個相互獨立的子載波疊加而成的，這樣的合成信號就有可能產(chǎn)生較大的PAPR。101exp( 2)1 NnkkkxXjnn NNN2102max| PAPR(dB)=10log E| nnnxxOFDM系統(tǒng)峰均比的定義在OFDM系統(tǒng)中,

13、經(jīng)過IFFT運(yùn)算之后得到的輸出信號可以表示為：輸出信號PAPR定義為：由于OFDM信號是由多個相互獨立的子載波疊加而成的，這樣的合成信號就有可能產(chǎn)生較大的PAPR。101exp( 2)1 NnkkkxXjnn NNN2102max| PAPR(dB)=10log E| nnnxxOFDM系統(tǒng)峰均比的測量互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)： PAPR1 (1 e ) NrzPz過采樣及過采樣因子的選擇PA PR1PA PR1 (1 e ) NrrzPzPzN個子載波的OFDM系統(tǒng)過采樣信號PAPR的CCDF為：概率類技術(shù) 概率類技術(shù)并不是著眼于降低信號幅度的最大值，而是降低峰值出現(xiàn)的概率。一般的概率類

14、技術(shù)都將帶來一定的信息冗余。這類技術(shù)主要包括選擇性映射（SLM）方法、部分序列傳輸（PTS）方法、PS（Pulse Shaping）技術(shù)、TR（Tone Rejection）技術(shù)、TI（Tone Injection）技術(shù)、ACE技術(shù)，而這類方法中最具有代表性的是SLM方法和PTS方法。 概率類技術(shù)最基本的方法就是通過線性變換，如下式所示： Yn=AnXn+Bn 1nNSLM算法原理 OFDM系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)較大峰值功率信號的原因在于多個子載波信號的疊加。如果可以利用多個序列來表示同一組信息的傳輸，則在給定的PAPR門限值條件下，可以從中選擇一組用于傳輸，這樣就會顯著減小峰值功率信號出現(xiàn)的概率。 SL

15、M的基本思想是用M個統(tǒng)計獨立的矢量P(k)表示相同的信息，選擇其時域符號x(k)具有最小PAPR值得一路用于傳輸。 SLM的原理框圖如下所示SLM算法原理 假設(shè)存在M個不同的、長度為N的隨機(jī)相位序列矢量，即 P(k)=P0(k)，P1(k)，PN-1(k)，k=1，2，M 可以利用這M個相位矢量分別與要發(fā)送的頻域樣值X進(jìn)行點乘，則可以得到M個不同的輸出序列X(k)，即 X(k)=X0(k)，X1(k)，XN-1(k)=X0P0(k)，X1P1(k)，XN-1PN-1(k) 然后對所得到的M個不同的輸出序列X(k)分別實施IFFT計算，相應(yīng)得到M個不同的時域序列x(k)=x0(k)，x1(k)，

16、xN-1(k)。SLM仿真當(dāng)選擇支路數(shù)不同時，SLM性能的仿真結(jié)果如下圖所示：MIMO系統(tǒng)的容量MIMO系統(tǒng)容量研究背景 作為近年來無線通信領(lǐng)域的一項重大突破，在發(fā)射端和接收端都是用多根天線的多輸入多數(shù)出（MIMO）技術(shù)，可以極大的提高通信系統(tǒng)的容量和傳輸速率，被視為第四代移動通信技術(shù)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)，引起了石家各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。和傳統(tǒng)的單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)相比較，MIMO系統(tǒng)發(fā)射端和和接收端都采用多根天線，這實現(xiàn)了多路信號的并行傳輸，提高了通信的速率和可靠性，但同時也導(dǎo)致了系統(tǒng)接收端每根接收天線收到的都是相互重疊的多路信號，如果是頻率選擇性信道，還存在不同時刻信號間的碼間干擾。由

17、于多載波正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)能夠?qū)⒏咚俚男畔⒘鞣峙涞蕉鄠€低速信道中并行傳輸，頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為若干并行的平坦衰落子信道，從而使信號對符號間干擾變得不敏感。 散射豐富的無線環(huán)境中，MIMO系統(tǒng)在不增加系統(tǒng)寬帶和發(fā)射功率的情況下，能夠利用多天線來抑制信道衰落，成倍的提高通信系統(tǒng)的容量。這是因為相對于單天線系統(tǒng)來說，多天線系統(tǒng)在理論上實現(xiàn)了多個并行并相互獨立的信道，其中每個信息奧都可以達(dá)到單天線時的最大信道容量。此外，MIMO還可以利用收發(fā)之間的多條獨立傳輸路徑獲得分集增益。理論研究表明，在接收天線數(shù)大于發(fā)射天線數(shù)的情況下，MIMO系統(tǒng)容量隨發(fā)射天線數(shù)的增加而線性增長。相對于傳統(tǒng)的SI

18、SO系統(tǒng)，MIMO系統(tǒng)容量的提高是相當(dāng)可觀的。非頻率選擇性信道下MIMO系統(tǒng)容量MIMO系統(tǒng)容量推導(dǎo) 在平坦衰落即非選擇性衰落條件下，收發(fā)端均采用陣列天線。假設(shè)發(fā)射端有 個天線，接收端有 個天線，構(gòu)成了一個（ , ）的MIMO天線系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)原理框圖TNRNTNRN1122( )( )( )( )( )( )( )( )TRNNx ty tx ty tx ty txtyt散射介質(zhì)非頻率選擇性信道下MIMO系統(tǒng)容量 在非頻率選擇性衰落條件下，MIMO系統(tǒng)信號輸入、輸出關(guān)系可以用下列矢量形式描述： 在信息論中，香農(nóng)信道容量C定義為接收信號矢量 與發(fā)送信號矢量 之間的最大互信息量，即確定信道M

19、IMO系統(tǒng)的容量為： STENy yH H s sn n()m a x(;)fCIs ss sy y2()0maxlog det()ssTHSSSTrNTECbit s HzN NR RN NR RI IH HR RH H 發(fā)送端未知信道狀態(tài)信息MIMO系統(tǒng)容量 在發(fā)送端未知信道狀態(tài)信息的條件下，矢量S是獨立統(tǒng)計的（也就是， ）,這意味著信號是獨立的，在發(fā)送端各天線上功率是等功率分配的，則容量為SST TN NR RI I20logdet()RHSNTECNNI IH HH H系統(tǒng)容量仿真利用Matlab在發(fā)送端與接收端天線個數(shù)不同的情況下進(jìn)行MIMO容量的仿真。MIMO-OFDM系統(tǒng)自適應(yīng)M

20、IMO系統(tǒng)自適應(yīng)研究背景 鏈路級自適應(yīng)技術(shù)的基本思想就是自適應(yīng)調(diào)節(jié)信號傳輸?shù)膮?shù)來充分地利用當(dāng)前信道環(huán)境，而通過自適應(yīng)技術(shù)得到的系統(tǒng)的信道容量的增益是十分明顯的。這種自適應(yīng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛地認(rèn)為是無線通信系統(tǒng)中有效地提高頻譜利用率的重要手段之一，并且已經(jīng)在包括CDMA2000、WCDMA的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)中使用。 一種理想的鏈路自適應(yīng)算法能夠根據(jù)當(dāng)前的信道環(huán)境調(diào)節(jié)各種各樣的信號傳輸參數(shù)。由于移動信道不同于有線信道，它的隨機(jī)性非常強(qiáng)，因此其對應(yīng)的概率統(tǒng)計模型也是針對不同的環(huán)境。信道的傳播模型一般來說根據(jù)變化的尺度可分為兩大類5:大尺度變化，包括路徑損耗及其在均值附近的方差等；小尺度變化，反映了接

21、收到的信號在很短的距離或時間內(nèi)由于多徑衰落引起的快速變化的特性。對于帶寬信號來說，這些快速變化的特性對應(yīng)的是頻率選擇性衰落信道。MIMO系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制原則 自適應(yīng)調(diào)制，顧名思義就是根據(jù)信道狀況調(diào)整各個子載波的調(diào)制方式。簡單地說，自適應(yīng)調(diào)制的原理就是當(dāng)信道條件好時，采用高階的調(diào)制方式，當(dāng)信道條件差時，采用低階的調(diào)制方式。 自適應(yīng)調(diào)制可以基于最大化信道容量或者最小化誤比特率來選擇調(diào)制方式。基于信道容量最優(yōu)化的原則MIMO系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制原則-Fischer算法 Fischer算法不是以信道容量為依據(jù)來進(jìn)行比特分配，它的優(yōu)化準(zhǔn)則是在維持恒定傳輸速率和給定總發(fā)射功率的前提下，使系統(tǒng)的誤比特率性能達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)所有子載波上誤比特率相等時，系統(tǒng)的誤比特率達(dá)到最小值。Fischer算法給出了比特分配的閉式解，它首先把各個子載波上的噪聲功率值 存儲下來，接下來就只需要進(jìn)行一些加法和除數(shù)為整數(shù)的除法，因此它的復(fù)雜度較Chow 算法有了進(jìn)一步的降低。其基本流程為 （1）初始化。首先必須已知各個子載波上的噪聲方差 ，i