作者：陳莉

    摘要本章簡單介紹了MIMO-OFDM技術的系統設計，著重介紹了基于空中接口的MIMO-OFDM要害技術，包括MIMO-OFDM信道估計、空時處理技術。

    1、引言

    新一代移動通信(Beyond3G/4G)將可以提供高達100Mb/s甚至更高數據傳輸速率，支持從語音到多媒體的業務。數據傳輸速率可以根據這些業務所需的速率不同動態調整。新一代移動通信的另一個特點是低成本。這樣在有限的頻譜資源上實現高速率和大容量，需要頻譜效率極高的技術。MIMO技術充分開發空間資源，利用多個天線實現多發多收，在不需要增加頻譜資源和天線發送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。OFDM技術是多載波傳輸的一種，其多載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。將二者有效的結合起來已成為下一代移動通信技術的熱點。

    2、MIMO技術簡介

    多輸入多輸出MIMO無線通信技術是指任何一個無線通信系統只要其發射端和接收端都采用了多個天線或天線陣列，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的，如圖1所示。傳輸信息流S(k)經過空時編碼形成N個信息子流Ci(k)，i=1，……，N。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠對這些數據流進行分離和解碼，從而實現最佳的處理。

    圖1  N根發射天線N根接收天線的MIMO系統框圖

    非凡是當這N個子流同時發送到信道，各發射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發射接收天線間的構筑多條相互獨立的通道，則MIMO系統可以創造多個并行空間信道。MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，從而可實現高的通信容量和頻譜利用率，這是一種近于最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。

    3、OFDM簡介

    OFDM是一種多載波調制技術。其核心是將信道分成若干個正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。另外，由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。在各個子信道中的這種正交調制和解調可以采用IFFT和FFT方法來實現。如圖2所示：

    圖2  OFDM系統的工作原理

    OFDM已經廣泛應用于廣播信道方式的寬帶數據通信系統中，如數字音頻電視(DAB)、高清楚度數字電視(HDTV)以及IEEE802.11a和IEEE802.16a無線局域網標準中(WLAN)。勿庸置疑，OFDM將是下一代移動無線系統中空中接口技術研究的熱點之一。

    4、MIMO與OFDM結合的必要性

    從以上分析我們可以看出MIMO和OFDM在各自的應用領域有各自的優點，MIMO系統可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落，MIMO仍是無能為力，現在一般采用均衡技術來解決MIMO系統中的頻率選擇性衰落。還有一種就是OFDM技術，OFDM被認為是下一代移動通信中的核心技術。4G需要高的頻譜利用率的技術，但OFDM提高頻譜利用率的能力究竟有限。假如結合MIMO技術，可以在不增加系統帶寬的情況下提高頻譜效率。MIMO+OFDM技術可以提供更高的數據傳輸速率，又可以通過分集達到很強的可靠性，假如把合適的數字信號處理技術應用到MIMO+OFDM系統中能更好的增強系統的穩定性。另外，OFDM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有很強的抗多徑干擾能力。多徑時延小于保護間隔使系統不受碼間干擾的影響。這樣就可以使單頻網絡使用寬帶OFDM系統依靠MIMO技術消除陰影效應。

    5、MIMO+OFDM中的要害技術

    5.1MIMO-OFDM系統模型

    MIMO-OFDM系統模型如圖3所示

    圖3  MIMO-OFDM發射端的簡明方框圖

    (1)發射端：信源的比特流經前向糾錯編碼交織后映射到數字解調器的星座圖上，再進入OFDM編碼器進行編碼。然后輸出的符號流相互平行地傳輸，每一個符號流對應指定的發射天線，并且它們的發射過程是一樣的。首先根據導頻模型插入導頻符號，然后頻域內的符號流經FFT反變換成OFDM符號流。每個OFDM符號前加一個循環前綴以減弱信道延遲擴展的影響，每個時隙前加前綴用以定時，最后數據幀經IF/RF器件發射出去。如圖4所示。

    圖4  MIMO-OFDM接收端的簡明方框圖

    (2)接收端：接收天線接收來自IF/RF的符號流首先進行同步，包括粗略的頻率同步和前綴輔助定時。然后從接收到的符號流中提取出前綴碼和循環前綴碼，接下來通過FFT變換解調剩下的OFDM符號。在頻域內，從解調后的OFDM符號中提取頻率導頻。然后通過精細的頻率同步和定時，準確的提取出導頻和數據符號。從所有接收天線中提取出的頻率導頻是用作信道估計的。這個受信道估計的矩陣輔助MIMO解碼器對OFDM符號的解碼。最后，經解碼后的符號流被發送到接收器。

    5.2同步

    對于MIMO-OFDM系統的同步問題涉及前導序列的設計，時間和頻率同步，以及信號檢測技術等方面。一般來說，在MIMOOFDM系統在下行和上行鏈路傳播之間都存在同步時隙，用于實施相位和頻率對齊。并且實施頻率偏差估計。時隙可按以下方式構成：在偶數序號的子載波上發送數據和練習符號，而在奇數序號的子載波上設置為零。這樣經過IFFT變化后得到的時域信號就會被重復，有利于信號的檢測。

    5.3信道估計

    MIMO-OFDM是一種能夠提高速率和增大系統容量的技術。為了提高速率，接收端需要獲得精確的信道狀態信息。然而對于OFDM系統，不同的信號同時從不同的天線發射出去，接收的信號是這些信號的重疊，這就給信道估計帶來了困難。至于導頻形式，MIMOOFDM系統有三種信道估計算法，分別是基于分散導頻、正交導頻、分組導頻。相比較而言，第一種算法廣泛應用于快衰落和頻率選擇性衰落信道中。因此，下面我們主要介紹這種方法：

    (1)導頻形式

    發射天線的導頻形式設計如下：時域內的導頻間隔滿足抽樣定理。根據帶有導頻的鄰近的OFDM符號的信道估計，通過時域插入的方法來估計不帶導頻的OFDM符號的信道頻率響應(CFR)。在MIMO-OFDM信道估計算法中是這樣描述的：頻域內，導頻間隔應滿足以下的不等式：

    FFTsize/PSF.M＞MaximumDelay(1)

    其中PSF指的是頻域內的導頻間隔，MaximumDelay是指在抽樣的單位時間內，發射端和接收端之間的多徑信道的最大延遲。

    (2)MIMO-OFDM的信道估計

    我們僅僅考慮頻域內的信道估計。一對發射和接收天線之間的多徑信道的CFR估計算法如下步驟所示：

    ◆接收到的導頻序列乘上發射天線中導頻序列的變換序列，就得到了基于導頻的CFR序列。

    ◆基于導頻對CFR序列作FFT反變換，然后得到信道脈沖響應(CIR)序列。

    ◆把這個CIR序列分成相等的M段(M就是發射天線的數目)。這樣每一段就是一對收發天線的被估計的CIR。因此每一段經填零后再作IFFT變換(點數和FFT一樣)，這樣就得到了所有天線的估計。

    5.4MIMO空時處理技術

    目前，MIMO的空時處理技術分為典型的兩類：速率最大化和多樣最大化。目前它們也正朝著統一融合的方向發展。

    (1)空間復用

    空間復用是指在一定的差錯率下，通過不同的天線盡可能多的在空間信道上傳輸相互獨立的數據。現在主要有四種空間復用技術：對角BLAST(貝爾實驗室分層空時)、水平BLAST、正交BLAST和TURBOBLAST。其中正交BLAST由于執行起來較簡單是最為看好的一種方法。

    (2)空時編碼

    目前主要有兩種空時編碼技術：空時分組碼(STBC)和空時格柵編碼(STTC)。空時格柵編碼建立了空域和時域中信號的內在聯系，可以獲得高的分集增益，除此之外，還能獲得大量的編碼增益。但是隨著調制星座的大小和狀態數的增加，以及編碼長度的增加，譯碼的復雜性也增大。而STBC基于正交性的設計，可以獲得更大的分集增益同時也降低了譯碼的復雜度，因此STBC是目前最廣泛的應用。聞名的Alamouti編碼就是STBC的一個特例，它采用兩根發射天線，空頻分組碼(SFBC)也是基于STC的基礎上的，STBC設計的前提是假設信道是快衰落的，因此時間或頻率選擇性信道將降低STBC和SFBC的性能。根據信道是時間選擇性信道還是頻率選擇性信道來選擇應用STBC或SFBC。不管信道的時延擴展如何，當且僅當信道在時域內是慢變化的，而且終端慢速移動時，我們才使用STBC。相似的，不管終端的移動速度如何，當且僅當信道在頻域內是慢變化的而且信道延遲擴展較小時，我們才使用SFBC。如何構造性能更好，而且譯碼簡單的空時編碼也是目前的一個研究熱點。

    5.5糾錯編碼技術

    信道編碼在現代數字通信中無疑扮演著重要的角色。一種合理的編碼方案總是和特定的通信系統的要求聯系在一起的。GSM系統提供的是低比特率的語音服務和一些數據服務，在一些重要的比特上結合使用分組碼和卷積碼。第三代移動通信系統則要求有更大的系統容量和更靈活的高速率、多速率的數據傳輸，除了卷積碼外還首次采用了Turbo碼。在未來的4G系統中Turbo碼和LDPC碼(低密度奇偶校驗碼)是前向糾錯編碼方案的研究熱點。

    5.6自適應調制和編碼技術(AMC)

    時變的無線信道條件和時變的系統容量是無線移動通信系統的兩個重要的特點。未來的系統要求提供大動態范圍內的數據速率，在實際應用的頻譜范圍內，為了滿足這種要求，提高頻譜利用率，降低發射功率的需求，必須采用自適應調制和編碼技術。AMC是一種信息速率調整技術，現在應用于HSPDA和IEEE802.16中。

    AMC所遵循的原則是：服從系統限制的條件，基于信道條件的瞬時變化來改變調制和編碼的方式。對于一個AMC系統來說，靠近小區中心的用戶采用的是高速率調制和編碼。相反，靠近小區邊緣的用戶采用較低速率的調制和編碼。

    AMC的執行也有一些困難，首先，AMC對信道的差錯和延遲的測量很靈敏。為了選擇合適的調制方法，必須考慮信道的質量性能。假如對信道的估計有錯就有可能選擇了錯的速率，或是發射功率過大，浪費了系統的容量，或是發射功率過低，提高了分組的差錯率。有關信道測量報告的延遲也會減少信道質量估計的可靠性，而且接口的變化也會增加測量的錯誤。

    6、總結

    本文介紹了MIMO-OFDM技術概念的和要害技術，如信道估計、空時處理技術、糾錯編碼技術、自適應調制和編碼技術等。由于MIMO-OFDM系統提供了更高的速率和頻帶利用率，已成為下一代移動通信技術研究的熱點。