G無線通信中的MIMOOFDM

4G無線通信中的MIMO-OFDM技術(shù)一、引言

目前沒有第四代移動通信的確切定義，但比較認(rèn)同的解釋是：“第四代移動通信的概念可稱為寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò),具有非對稱的和超過2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動寬帶系統(tǒng)、互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星系統(tǒng)等。此外，第四代移動通信系統(tǒng)將是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100Mbit/s甚至更高，也是寬帶接入IP系統(tǒng)”。簡單而言，4G是一種超高速無線網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級高速公路。這樣在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)高速率和大容量,需要頻譜效率極高的技術(shù)。MIMO技術(shù)充分開發(fā)空間資源,利用多個天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。OFDM技術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，其多載波之間相互正交,可以高效地利用頻譜資源，另外，OFDM將總帶寬分割為若干個窄帶子載波可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。因此充分開發(fā)這兩種技術(shù)的潛力,將二者結(jié)合起來可以成為新一代移動通信核心技術(shù)的解決方案，下面詳細(xì)介紹這兩種技術(shù)及其二者的結(jié)合方案。

二、MIMO技術(shù)

MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別設(shè)置多副發(fā)射天線和接收天線，其出發(fā)點(diǎn)是將多發(fā)送天線與多接收天線相結(jié)合以改善每個用戶的通信質(zhì)量（如差錯率）或提高通信效率（如數(shù)據(jù)速率）。MIMO技術(shù)實(shí)質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益，空間復(fù)用技術(shù)可以大大提高信道容量，而空間分集則可以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素，然而對于MIMO來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用，MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑衰落影響因素變成對用戶通信性能有利的增強(qiáng)因素，MIMO技術(shù)有效地利用隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率，因此它能夠在不增加所占用的信號帶寬的前提下使無線通信的性能改善幾個數(shù)量級。假定發(fā)送端有N個發(fā)送天線，有M個接收天線，在收發(fā)天線之間形成M×N信道矩陣H，在某一時刻t，信道矩陣為：

其中H的元素是任意一對收發(fā)天線之間的增益。對于信道矩陣參數(shù)確定的MIMO信道，假定發(fā)送端不知道信道信息，總的發(fā)送功率為，與發(fā)送天線的數(shù)量M無關(guān)；接收端的噪聲用N×1向量n表示，是獨(dú)立零均值高斯復(fù)變量，各個接收天線的噪聲功率均為；發(fā)送功率平均分配到每一個發(fā)送天線上，則容量公式為：

令M不變，增大N，使得，這時可以得到容量的近似表達(dá)式：

從上式可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用MIMO技術(shù)可以成倍提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個研究熱點(diǎn)就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼?？諘r碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。

圖1MIMO系統(tǒng)框圖

三、OFDM技術(shù)

根據(jù)多徑信道在頻域中表現(xiàn)出來的頻率選擇性衰落特性，提出正交頻分復(fù)用的調(diào)制技術(shù)。如圖2所示，正交頻分復(fù)用的基本原理是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸，在頻域內(nèi)將信道劃分為若干互相正交的子信道，每個子信道均擁有自己的載波分別進(jìn)行調(diào)制，信號通過各個子信道獨(dú)立傳輸。如果每個子信道的帶寬被劃分得足夠窄，每個子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的，即每個子信道都可看作無符號間干擾（ISI）的理想信道，這樣在接收端不需要使用復(fù)雜的信道均衡技術(shù)即可對接收信號可靠地解調(diào)。在OFDM系統(tǒng)中，在OFDM符號之間插入保護(hù)間隔來保證頻域子信道之間的正交性，消除OFDM符號之間的干擾。

但是要注意，在發(fā)送端實(shí)際發(fā)送1個OFDM時域序列的長度為Nd+Nc，Nd是一個OFDM符號能夠傳送的頻域符號數(shù)，加在前面長度為Nc的序列稱為循環(huán)前綴（CyclicPrefix）或防護(hù)間隔（GuardInterval），利用它使得前—OFDM符號對當(dāng)前OFDM符號的干擾只影響到循環(huán)前綴部分，不會對當(dāng)前OFDM符號造成影響，這就有效地消除了OFDM符號之間的干擾（ISI）。引入循環(huán)前綴會使系統(tǒng)的傳輸效率有所下降，但這是為保證OFDM子載波之間的正交性和消除OFDM符號間干擾所必須付出的代價。OFDM技術(shù)之所以越來越受關(guān)注，是因?yàn)镺FDM有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中很重要。OFDM信號的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。（2）抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，由于OFDM系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分散到許多個子載波上，大大降低了各子載波的符號速率，從而減弱多徑傳播的影響，若再通過采用加循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔的方法，甚至可以完全消除符號間干擾。玻無禽（3戀）采柏用動癢態(tài)子看載波夫分配塊技術(shù)若能使薄系統(tǒng)綠達(dá)到漫最大裳比特幸率。原通過破選取重各子慶信道獨(dú)，每綱個符刷號的議比特凍數(shù)以羅及分油配給商各子繩信道辣的功蜜率使條總比嘩特率鉛最大怨。即融要求委各子獎信道者信息拆分配武應(yīng)遵萌循信變息論游中的曉“注趨水定澤理”話，亦谷即牽優(yōu)質(zhì)談信道卷多傳障送，嗽較差窗信道嘗少傳泳送，飼劣質(zhì)喪信道影不傳朝送的倉原則決。臟致縱（4漂）通稀過各慨子載罵波的犁聯(lián)合籮編碼兔，可射具有塘很強(qiáng)協(xié)的抗獻(xiàn)衰落商能力況。齒OF霞DM叫技術(shù)榮本身猜已經(jīng)鞋利用下了信免道的截頻率敏分集熊，如脈果衰屬落不哲是特烏別嚴(yán)爪重，蜘就沒獵有必痛要再列加時次域均只衡器治。但牲通過怎將各氏個信夕道聯(lián)潔合編晨碼，鹿可以要使系留統(tǒng)性城能得村到提囑高。稿嘴殿（5匯）基區(qū)于離再散傅烤立葉宵變換肅（D扒FT黨）的熟OF育DM溜有快減速算降法，法OF牛DM抽采用雙IF迷FT駛和F臘FT添來實(shí)勒現(xiàn)調(diào)饅制和股解調(diào)乳，易膚用D磨SP源實(shí)現(xiàn)譽(yù)。腰毅晃圖2寫O姨FD猾M系坦統(tǒng)框淚圖拴京賴四、榆MI安MO止與O肥FD朵M的銷結(jié)合驕MI交MO哭系統(tǒng)戀在一范定程與度上芳可以肚利用博傳播請中多悟徑分立量，買也就夕是說執(zhí)MI鎖MO隆可以澇抗多造徑衰藍(lán)落，巖但是侄對于獵頻率洲選擇少性深到衰落罩，M宋IM腥O系線統(tǒng)依瞧然是龍無能注為力嘴。糟目前圾解決梯MI西MO詳系統(tǒng)非中的豈頻率屈選擇摔性衰頌落的赤方案圈一般液是利屈用均恒衡技穴術(shù)，伴還有亂一種三是利送用O慌FD晝M。陸大多層數(shù)研堪究人窯員認(rèn)味為O爬FD夢M技掉術(shù)是宏4G歇的核篩心技鞋術(shù)，奏4G宴需要截極高開頻譜障利用造率的貧技術(shù)如，而蜘OF止DM游提高蛙頻譜半利用束率的剝作用格畢竟召是有況限的聰，在志OF蠅DM孟的基棉礎(chǔ)上鈴合理朱開發(fā)披空間黎資源濟(jì)，也徒就是憤MI宴MO文-O狠FD緩M，悅可以戒提供萌更高的的數(shù)洗據(jù)傳聰輸速慚率。緒另外贈OD禾FM縫由于酸碼率申低和現(xiàn)加入暮了時揀間保疤護(hù)間醉隔而僚具有拌極強(qiáng)跌的抗令多徑雹干擾哨能力凈。由城于多結(jié)徑時頁延小黎于保漠護(hù)間考隔，渠所以償系統(tǒng)關(guān)不受眉碼間校干擾慎的困餓擾，杠這就跳允許既單頻得網(wǎng)絡(luò)疫（S浮FN壇）可孩以用超于寬姿帶O剝FD橋M系章統(tǒng)，椅依靠遇多天杠線來止實(shí)現(xiàn)撫，即暑采用殊由大凡量低替功率猴發(fā)射靈機(jī)組哈成的復(fù)發(fā)射添機(jī)陣刑列消削除陰緩影效溉應(yīng)，校來實(shí)粱現(xiàn)完私全覆盜蓋。鴿下面勇給出港MI妙MO朗-O孫FD注M的馳結(jié)合膚方案駐。繡府竊圖3足M走IM湖O-含OF穩(wěn)DM矛系統(tǒng)榆框圖劃穩(wěn)辦在本丑方案闖中的蓋數(shù)據(jù)脅進(jìn)行可兩次穩(wěn)串并機(jī)轉(zhuǎn)換右，首為先將憐數(shù)據(jù)筑分成莊N個壞并行脹數(shù)據(jù)拳流，泉將這視N個桿數(shù)據(jù)嚇流中姑的第遺n（菜n∈嚼[1窯，N玻]）爭個數(shù)膏據(jù)流泄進(jìn)行克第二侍次串抗并轉(zhuǎn)軌換成榮L個鉛并行場數(shù)據(jù)波流，駛分別盈對應(yīng)封L個矮子載僻波，勉將這掃L個君并行揮數(shù)據(jù)肢流進(jìn)為行I既FF絞T變臉換，轟將信淡號從況頻域爬轉(zhuǎn)換調(diào)到時關(guān)域，轎然后朵從第撒n（勉n∈智[1斥，N框]）齊個天鏟線上伶發(fā)送統(tǒng)出去役。這熄樣共遠(yuǎn)有N嚴(yán)L個搭M-衡QA刷M符鋤號被皆發(fā)送跳。整破個M舞IM采O系教統(tǒng)假獸定具促有N等個發(fā)費(fèi)送天腐線，刻M個也接收暗天線幻。在候接收宴端第擁m（定m∈勁[1插，M衡]）于個天遙線接版收到堤的第率l個牢子載勸波的舉接收煤信號堵為：途持拌其中柔Hm件,n特,l諸是第棕l鞠個子論載波摸頻率北上的奉從第廟n個約發(fā)送遇天線步到第街m個授接收量天線梳之間萍的信壽道矩月陣，示并且潛假定飲該信穩(wěn)道矩夢陣在追接收減端是日已知燕的，遺Cn鈔,l捧是第溜個子斯載波氧頻率置上的或從第涌n個偷發(fā)送篩天線燒發(fā)送宰的符押號，襯ηm智,l嗚是第榆l個湯子載套波頻巖率上倦的從召第m刑個接芬收天直線接喜收到缸的高丈斯白括噪聲瞇。這上樣在鬼接收蓋端接皺收到篩的第義l個公子載頭波頻巾率上狀的N乓個符攏號可鎖以通攔過V言-B底LA率ST款算法鮮進(jìn)行成解譯麥碼，旋重復(fù)洋進(jìn)行唯L次織以后遲，N械L個鞋M-嗓QA借M符傳號可貸以被贈恢復(fù)送。晃黨齒4.師1M鋸IM架O-詠OF藥DM壘的信狐道估番計(jì)程昂物在一縮個傳壟輸分辨集的盜OF嚷DM渠系統(tǒng)偵中，貧只有話在收葬端有聾很好殊的信內(nèi)道信革息時惜，空嫁時碼津才能潔進(jìn)行幅有效信的解響碼。型估計(jì)嗚信道此參數(shù)叼的難絨度在踢于，膊對于定每一閣個天溉線每年一個榆子載流波都孤對應(yīng)去多個畢信道生參數(shù)稻。但富好在蛾對于斥不同穿的子畏載波臭，同益一空裙分信慕道的的參數(shù)倆是相析關(guān)的染。根德?lián)@坊一相元關(guān)性季，可學(xué)以得扛到參脾數(shù)的蝴估計(jì)橋方法別。虹MI箭MO針-O者FD堅(jiān)M系置統(tǒng)信凱道估耳計(jì)方炎法一暖般有正三種趁：非銜盲信劍道估鋒計(jì)、襪盲信伶道估靜計(jì)和亮半盲覺信道充估計(jì)廉。賤下面?zhèn)兎謩e映對這漢三種派信道雄估計(jì)迅方法語進(jìn)行稼簡單不介紹鉆。咽絡(luò)悶4蝴.1按.1葉非盲等信道戚估計(jì)滿街車非盲漸信道注估計(jì)葛是通子過在設(shè)發(fā)送餓端發(fā)為送導(dǎo)凱頻信美號或路訓(xùn)練怪序列仿，接翻收端敘根據(jù)絨所接禿收的雅信號食估計(jì)求出導(dǎo)辰頻處碑或訓(xùn)炭練序飛列處泄的信猾道參柴數(shù)，今然后求根據(jù)便導(dǎo)頻秤或訓(xùn)拍練序抽列處拒的信得道參液數(shù)得腿到數(shù)勿據(jù)信略號處疲的信易道參禾數(shù)。慚當(dāng)信潛道為不時變淡信道汗時，撈即使啦是慢耀時變斯信道奉，也除必須搶周期互性的寇發(fā)射怎訓(xùn)練改序列蠻，以悉便及港時更鞭新信尖道估皮計(jì)。種這類塞方法傷的好軟處是絡(luò)估計(jì)擾誤差怒小，牙收斂頭速度孔快，蕩不足岔是由倘于發(fā)默送導(dǎo)押頻或杏訓(xùn)練屋序列駕而浪牛費(fèi)了迫一定特的系穴統(tǒng)資報(bào)源。詠薯家4.騎1.床2盲輛信道杠估計(jì)北擦冬盲信允道估獅計(jì)是歡利用罵信道仆的輸碌出以布及與喉輸入開有關(guān)屬的統(tǒng)喊計(jì)信邀息，付在無飲需知析道導(dǎo)襯頻或滋訓(xùn)練粘序列鈴的情頌況下銳估計(jì)炕信道澤參數(shù)產(chǎn)。其壓好處四是傳拴輸效福率高勿，不猜足是堅(jiān)魯棒直性相敞對較歌差、厭收斂鞏速度瑞慢，鋸而且咳運(yùn)算億量較臥大。晉同稱4.廚1.翻3半喜盲信局道估待計(jì)渡庫繳半盲蠅信道裂估計(jì)緊是在牢盲信沾道估嚴(yán)計(jì)的吹基礎(chǔ)租上發(fā)林展起辟來的言，它產(chǎn)利用地盡量察少的芝導(dǎo)頻燥信號顯或訓(xùn)持練序軌列來劉確定形盲信貢道估情計(jì)算必法所覽需的嚼初始財(cái)值，跑然后坦利用擦盲信尚道估物計(jì)算拾法進(jìn)棕行跟狡蹤、膽優(yōu)化霧，獲世得信褲道參把數(shù)。壟由于喚盲信便道算撈法運(yùn)技算復(fù)份雜度聞較高殊，目訓(xùn)前還室存在眾很多腸問題纖，難船以實(shí)揭用化經(jīng)。而診半盲鴉信道呢估計(jì)聽算法故有望柴在非攻盲算尊法和映盲算鑰法的賣基礎(chǔ)兼上進(jìn)染行折豆衷處灑理，旁從而唱降低賣運(yùn)算滾復(fù)雜邀度。濤可以今預(yù)計(jì)撿，對曾盲及郵半盲啄信道廟估計(jì)染的研筋究將童成為塘MI逼MO駐-O兇FD淹M信鬧道估銅計(jì)研除究的匪熱點(diǎn)困。抖五、燈結(jié)束榨語聞忌休在未土來的掛寬帶熔無線扣通信料系統(tǒng)法中存顏在兩噸個最約嚴(yán)峻裁的挑填戰(zhàn)：尚多徑組衰落利信道冰和帶貧寬效墳率。劇OF狠DM墳將頻繞率選蒜擇性帥多徑渣衰落旋信道臟在頻旋域內(nèi)像轉(zhuǎn)換拜為平著坦信皺道，重減小乘了多候徑衰慢落的罪影響摘，而部MI荷MO注技術(shù)器能夠鐘在空項(xiàng)間中感產(chǎn)生輔獨(dú)立妻的并驚行信滋道同快時傳灰輸多練路數(shù)擱據(jù)流女，這聚樣就葛有效嫩地提拔高了緣系統(tǒng)琴的傳芹輸速答率，譜即在癢不增畜加系疾統(tǒng)帶姥寬的盛情況閉下增仔加頻輕譜效親率。浙這樣指，將炮OF頁DM杰和M蛛IM府O兩推種技侵術(shù)相勤結(jié)合險就能糞達(dá)到扭兩種乳效果免：一氏種是紋實(shí)現(xiàn)喉很高互的傳妻輸速經(jīng)率，啟另一木種是滴通過記分集猴實(shí)現(xiàn)連很強(qiáng)低的可念靠性緞，同鉛時，周在M寺IM呼O-筒OF介DM正中加卻入合莫適的器數(shù)字