一種多通道正交頻分復(fù)用技術(shù)

一種多通道正交頻分復(fù)用技術(shù)

0g網(wǎng)絡(luò)模型、擬人機(jī)接口設(shè)備和正交頻分復(fù)用技術(shù)近年來，移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展迅速，經(jīng)歷了從第一代模擬通信到第二代數(shù)字通信、第三代多媒體通信的三個(gè)發(fā)展階段。目前，第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）正以前所未有的速度發(fā)展，第三代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）處于商用化前夕，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（beyond3G/4G）的研究工作也已展開。全球范圍內(nèi)移動(dòng)用戶數(shù)的迅猛增長和移動(dòng)業(yè)務(wù)主體的快速轉(zhuǎn)變，預(yù)示著手持移動(dòng)終端將逐步取代PC，成為人機(jī)接口的主要設(shè)備。為高速業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的3G在通信容量和質(zhì)量等方面將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。目前，世界各國在推動(dòng)3G商用化的同時(shí)，已經(jīng)把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)入下一代移動(dòng)通信，在概念和技術(shù)上尋求創(chuàng)新和突破，使無線通信的容量和速率有數(shù)十倍甚至上百倍的提高。下一代移動(dòng)通信提供的數(shù)據(jù)傳輸速率將高達(dá)100Mbit/s，甚至更高，支持的業(yè)務(wù)從語音到多媒體業(yè)務(wù)，包括實(shí)時(shí)的流媒體業(yè)務(wù)，可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)所需的不同速率，動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率。另一方面，下一代移動(dòng)通信要求成本低，要在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)高速率和大容量，這就需要頻譜效率極高的技術(shù)。多進(jìn)多出（MIMO）技術(shù)充分開發(fā)空間資源，利用多天線實(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，成倍提高信道容量。正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，多載波之間相互正交，能高效利用頻譜資源。另外，OFDM將總帶寬分割為若干窄帶子載波，有效抵抗頻率選擇性衰落。因此，應(yīng)充分挖掘這兩種技術(shù)的潛力，將兩者結(jié)合起來，使其成為下一代移動(dòng)通信核心技術(shù)的解決方案。1mimo系統(tǒng)的基本原理MIMO技術(shù)由來已久，早在1908年，馬可尼就提出用它抗衰落。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。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)是單進(jìn)單出（SISO）系統(tǒng)，基于發(fā)射分集和接收分集的多進(jìn)單出（MISO）和單進(jìn)多出（SIMO）方式也是MIMO系統(tǒng)的一部分。MIMO系統(tǒng)利用多天線抑制信道衰落。通常，多徑會引起衰落，因而被視為有害因素。然而，對MIMO系統(tǒng)來說，多徑作為有利因素加以利用。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，它的多入多出是針對多徑無線信道來說的。MIMO系統(tǒng)原理如圖1所示。傳輸信息流S(k）經(jīng)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流Ci(k)(i=1,2，···，N),N個(gè)子流由N副天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。通過先進(jìn)的空時(shí)編碼處理，多天線接收機(jī)將這些數(shù)據(jù)子流分開并解碼，從而實(shí)現(xiàn)最佳處理。其特點(diǎn)是N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送，所有發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，MIMO系統(tǒng)則可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道，通過這些并行空間信道獨(dú)立傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然會提高。MIMO系統(tǒng)將多徑無線信道與發(fā)射和接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近乎最優(yōu)的、空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的重要標(biāo)志之一，表示通信系統(tǒng)的最大傳輸率。對于發(fā)射天線數(shù)為N、接收天線數(shù)為M的MIMO系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)M、N很大，則信道容量C近似為：式中：B為信號帶寬；ρ為接收端平均信噪比；min(M,N）為M、N的較小者。式（1）表明，若功率和帶寬固定，MIMO系統(tǒng)的最大容量（或容量上限）隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。在同樣條件下，若接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，則容量僅隨天線對數(shù)的增加而增加。相對而言，MIMO在提高無線通信系統(tǒng)的容量方面具有極大的潛力。信道容量隨天線數(shù)量的增加而線性提高，也就是說，可以利用MIMO信道使無線信道容量成倍提高，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率也可以成倍提高。利用MIMO技術(shù)不但能提高信道容量，同時(shí)還能提高信道可靠性，降低誤碼率。廣義的MIMO技術(shù)涉及廣泛，主要包括發(fā)射分集技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)。發(fā)射分集是指用不同的天線發(fā)射包含同樣信息的信號（信號可能不同），從而達(dá)到空間分集的效果，它主要采用空時(shí)編碼技術(shù)?？臻g復(fù)用技術(shù)與發(fā)射分集不同，它是用不同天線發(fā)射不同的信息，真正體現(xiàn)了MIMO系統(tǒng)容量的提高。貝爾實(shí)驗(yàn)室的V-BLAST是空間復(fù)用技術(shù)的典型應(yīng)用，它采用垂直分層空時(shí)編碼技術(shù)。2ofd工作原理OFDM是特殊的多載波傳輸方案，既可以看做調(diào)制技術(shù)，也可以看做復(fù)用技術(shù)。OFDM由大量頻率間隔相等的子載波構(gòu)成（設(shè)共有N個(gè)載波），各載波可用同一種數(shù)字調(diào)制方法，或不同載波使用不同的調(diào)制方法，將高速串行數(shù)據(jù)分成多路并行的低速數(shù)據(jù)，加以調(diào)制。OFDM實(shí)際上是并行調(diào)制方式，將符號周期延長N倍，從而提高抵抗多徑衰落的能力。在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用（FDM）中，各載波的信號頻譜互不重疊，兩個(gè)信道之間需要有較大的頻率間隔（即保護(hù)帶寬），才能防止傳輸信號受干擾，頻帶利用率較低。在OFDM系統(tǒng)中，各子載波在整個(gè)符號周期正交，即加于符號周期上任何兩個(gè)載波的乘積等于0，因此各子載波信號頻譜可以互相重疊，子載波的正交復(fù)用技術(shù)大大減少了保護(hù)帶寬，提高了頻帶利用率。OFDM的工作原理如圖2所示。輸入數(shù)據(jù)信元的速率為R，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，分成M個(gè)并行的子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流的速率為R/M，每個(gè)子數(shù)據(jù)流中的若干bit分成一組，每組的數(shù)目取決于對應(yīng)子載波的調(diào)制方式（如PSK、16QAM、64QAM等）。M個(gè)并行的子數(shù)據(jù)信元編碼經(jīng)交織后，進(jìn)行快速傅里葉逆變換（IFFT），從頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，輸出N個(gè)時(shí)域的樣點(diǎn)，在N個(gè)樣點(diǎn)前增加長度為Lp的CP（循環(huán)前綴），形成循環(huán)擴(kuò)展的OFDM信元，因此實(shí)際發(fā)送的OFDM信元長度為Lp+N，經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換后發(fā)射。接收端收到的信號是時(shí)域信號，經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后去掉CP，如果CP長度大于信道記憶長度，碼間干擾（ISI）只影響CP，不影響有用數(shù)據(jù)，去掉CP也就除去ISI的影響。多載波方案適用于各種多天線環(huán)境，抵抗諸如多徑干擾、衰落、頻偏和多普勒頻移、同步和定時(shí)偏差以及多用戶干擾等各種信道干擾和失真，更易于擴(kuò)展帶寬和支持可變的用戶速率、用戶容量和服務(wù)質(zhì)量的靈活性。由于OFDM技術(shù)有很強(qiáng)的抗多徑能力，實(shí)現(xiàn)離散傅里葉變換（DFT）簡單易行，得到廣泛重視和應(yīng)用。但OFDM也存在一些缺點(diǎn)，例如易受頻率偏差的影響、存在較高的峰值平均功率比（PAR）等，因此，OFDM在移動(dòng)通信中的應(yīng)用仍需進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。如何繼承OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、克服缺點(diǎn)、構(gòu)造新的多載波傳輸技術(shù)方案，是解決下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸體制問題的重要途徑。3mimo-ofd-ro眾所周知，在未來寬帶移動(dòng)無線通信系統(tǒng)中，存在多徑衰落和帶寬效率兩方面最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。OFDM技術(shù)通過在頻域內(nèi)將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)變?yōu)槠教剐诺?，減小多徑衰落的影響。MIMO技術(shù)能在空間產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道，同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就能有效提高系統(tǒng)傳輸速率，即由MIMO提供的空間復(fù)用技術(shù)能在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下提高頻譜效率。因此，將OFDM與MIMO結(jié)合，就能提高系統(tǒng)的傳輸效率。另外，由于OFDM碼率低，并加入時(shí)間保護(hù)間隔，使它具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔，所以系統(tǒng)不受ISI的影響。單頻網(wǎng)絡(luò)（SFN）用于寬帶OFDM系統(tǒng)可以通過多天線來實(shí)現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機(jī)組成的發(fā)射機(jī)陣列消除陰影效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。通過分集還能提高系統(tǒng)可靠性。MIMO技術(shù)涉及廣泛，主要包括發(fā)射分集技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)。發(fā)射分集技術(shù)主要是指空時(shí)編碼技術(shù)，空時(shí)編碼是基于MIMO信道的信道編碼，它能實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的無限傳輸。此外，由于空時(shí)編碼不但具有編碼增益，而且能提供空間分集增益，所以具有很強(qiáng)的抗衰落能力。空時(shí)編碼的這些突出優(yōu)點(diǎn)使它將成為下一代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO-OFDM系統(tǒng)的發(fā)送方案如圖3所示。MIMO-OFDM系統(tǒng)的接收方案如圖4所示。由圖4可看出，接收端收到的第l個(gè)子載波頻率上的N個(gè)符號可通過某種算法進(jìn)行解譯碼，重復(fù)L次后，NL個(gè)正交相移鍵控（QPSK）符號可恢復(fù)。4時(shí)空分集技術(shù)MIMO-OFDM技術(shù)是OFDM與MIMO技術(shù)結(jié)合形成的新技術(shù)，通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實(shí)現(xiàn)空間分集，提高了信號質(zhì)量。由于利用了時(shí)間、頻率和空間3種分集技術(shù)，大大增加了無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限。實(shí)現(xiàn)MIMO-OFDM應(yīng)完成以下關(guān)鍵設(shè)計(jì):1信號延遲長時(shí)間MIMO與OFDM調(diào)制方式結(jié)合，下行信道選用時(shí)延分集。時(shí)延分集實(shí)現(xiàn)簡單，性能優(yōu)良，又沒有反饋要求。實(shí)現(xiàn)的方法是讓第2副天線發(fā)出的信號比第1副天線發(fā)出的信號延遲一段時(shí)間。發(fā)送端引用這一時(shí)延，使接收的信道響應(yīng)具有頻率選擇性。如采用適當(dāng)?shù)木幋a和穿插，接收端可以獲得“空間-頻率”分集增益，無須預(yù)知信道的情況。2不同天線上不同的頻率和時(shí)隙率空間復(fù)用技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。把一個(gè)傳輸速率相對較高的數(shù)據(jù)流分割為一組速率相對較低的數(shù)據(jù)流，分別在不同的天線對不同的數(shù)據(jù)流獨(dú)立編碼、調(diào)制和發(fā)送，并使用相同的頻率和時(shí)隙。每副天線可以通過不同的獨(dú)立信道濾波發(fā)送信號，接收機(jī)用空間均衡器分離信號，然后解調(diào)、譯碼和解復(fù)用，恢復(fù)原始信號。3本系統(tǒng)的計(jì)算方法如果基站和用戶終端一側(cè)用3副接收天線，可取得分集接收的效果。利用最大比值合并（MRC）將多個(gè)接收機(jī)的信號合并，得到最大信噪比（SNR），可抑制自然干擾。但是，如果有2個(gè)數(shù)據(jù)流互相干擾，或有來自頻率再利用的鄰近地區(qū)干擾，MRC就不能起到抑制作用。這時(shí)，利用最小均方誤差（MMSE）使每個(gè)有用信號與其估計(jì)值的均方誤差最小，可使SNR最大。4供軟閱讀器MRC和MMSE算法生成軟判決信號，供軟解碼器用。軟解碼與信號干擾噪聲比（SINR）加權(quán)組合結(jié)合使用，可為頻率選擇性信道提供3dB～4dB的性能增益。5每副天線上的最優(yōu)信號信道估計(jì)的目的在于識別每組發(fā)送天線與接收天線之間的信道沖激響應(yīng)。從每副天線發(fā)出的訓(xùn)練子載波都是相互正交的，能夠唯一地識別每副發(fā)送天線到接收天線的信道。訓(xùn)練子載波的頻率間隔小