MIMO+OFDM:新一代移動通信核心技術

2019-11-03 09:15:09

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供稿：網友

任立剛　宋梅　喬強國　宋俊德　朱松儉　郗松楠

　　摘要新一代移動通信（beyond 3G/4G）與第三代移動通信系統（3G）相比將會提供更高的數據傳輸速率，更低的成本。達到高速率低成本的一個技術前提就是高頻譜效率的技術，從而可以在有限的頻譜上提供更高的傳輸速率和系統容量，MIMO和OFDM就是這樣的技術。二者的結合已經成為新一代移動通信技術研究中的熱點。通過這兩種技術的優勢互補，可以為系統提供高達2~100Mbit/s的傳輸速率，同時也能提高系統容量，降低成本。本文將詳細介紹這兩種技術，并給出二者結合的方案。

　　關鍵詞移動通信 MIMO技術 OFOM技術

1 引言

　　新一代移動通信（beyond 3G/4G）將可以提供的數據傳輸速率高達100Mbit/s，甚至更高，支持的業務從語音到多媒體業務，包括實時的流媒體業務。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，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。因此充分開發這兩種技術的潛力，將二者結合起來可以成為新一代移動通信核心技術的解決方案，下面詳細介紹這兩種技術及其二者的結合方案。

2 MIMO技術

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）系統，該技術最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據收發兩端天線數量，相對于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系統，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multi-ple-Output）系統和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統。

可以看出，此時的信道容量隨著天線數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送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。

利用ＭＩＭＯ技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用ＭＩＭＯ信道提供的空間復用增益，后者是利用ＭＩＭＯ信道提供的空間分集增益。實現空間復用增益的算法主要有貝爾實驗室的ＢＬＡＳＴ算法、ＺＦ算法、ＭＭＳＥ算法、ＭＬ算法。ＭＬ算法具有很好的譯碼性能，但是復雜度比較大，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ＺＦ算法簡單容易實現，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復雜度最優的就是ＢＬＡＳＴ算法。該算法實際上是使用ＺＦ算法加上干擾刪除技術得出的。目前ＭＩＭＯ技術領域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。

3 OFDM技術

　　ＯＦＤＭ（正交頻分復用）技術實際上是ＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ－ＣａｒｒｉｅｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，多載波調制）的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ＩＣＩ）。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可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

結合簡要介紹ＯＦＤＭ的工作原理，輸入數據信元的速率為Ｒ，經過串并轉換后，分成Ｍ個并行的子數據流，每個子數據流的速率為R/M，在每個子數據流中的若干個比特分成一組，每組的數目取決于對應子載波上的調制方式，如ＰＳＫ、ＱＡＭ等。Ｍ個并行的子數據信元編碼交織后進行ＩＦＦＴ變換，將頻域信號轉換到時域，ＩＦＦＴ塊的輸出是Ｎ個時域的樣點，再將長為Ｌｐ的ＣＰ（循環前綴）加到Ｎ個樣點前，形成循環擴展的ＯＦＤＭ信元，因此，實際發送的ＯＦＤＭ信元的長度為Ｌｐ＋Ｎ，經過并/串轉換后發射。接收端接收到的信號是時域信號，此信號經過串并轉換后移去ＣＰ，如果ＣＰ長度大于信道的記憶長度時，ＩＳＩ僅僅影響ＣＰ，而不影響有用數據，去掉ＣＰ也就去掉了ＩＳＩ的影響。

ＯＦＤＭ技術之所以越來越受關注，是因為ＯＦＤＭ有很多獨特的優點：

　　（1）頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統高近一倍。這一點在頻譜資源有限的無線環境中很重要。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，由于OFDM系統把數據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前綴作為保護間隔的方法，甚至可以完全消除符號間干擾。

　　（3）采用動態子載波分配技術能使系統達到最大比特率。通過選取各子信道，每個符號的比特數以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。即要求各子信道信息分配應遵循信息論中的“注水定理”，亦即優質信道多傳送，較差信道少傳送，劣質信道不傳送的原則

　　（4）通過各子載波的聯合編碼，可具有很強的抗衰落能力。OFDM技術本身已經利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡器。但通過將各個信道聯合編碼，可以使系統性能得到提高。

　　（5）基于離散傅立葉變換（DFT）的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT來實現調制和解調，易用DSP實現。

4 MIMO與OFDM的結合

　　MIMO系統在一定程度上可以利用傳播中多徑分量，也就是說MIMO可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統依然是無能為力。目前解決MIMO系統中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術，還有一種是利用OFDM。大多數研究人員認為OFDM技術是4G的核心技術，4G需要極高頻譜利用率的技術，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在OFDM的基礎上合理開發空間資源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的數據傳輸速率。另外ODFM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔，所以系統不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網絡（SFN）可以用于寬帶OFDM系統，依靠多天線來實現，即采用由大量低功率發射機組成的發射機陣列消除陰影效應，來實現完全覆蓋。下面給出MIMO+OFDM的結合方案。

　　這樣在接收端接收到的第ｌ個子載波頻率上的Ｎ個符號可以通過V-BLAST算法進行解譯碼，重復進行Ｌ次以后，ＮＬ個M-QAM符號可以被恢復出來。

5 目前應用狀況分析

　　目前MIMO技術的應用領域還主要是在固定無線接入，這方面領先的是美國的Raze和Iospan公司。美國Agere系統公司日前開發成功了最高傳輸速度為162Mbit/s的無線LAN技術，這種技術是在收發兩端使用陣列天線的多路輸入/多路輸出（MIMO）和正交頻分復用（OFDM），該系統使用3對收發天線，每對收發天線可以實現54Mbit/s。這是目前MIMO+OFDM技術所表現的強大的應用潛力。IEEE 802.11a、11g都是以OFDM作為核心技術，而IEEE 802.16系列則是以MIMO+OFDM技術為核心。

　　世界各國和各大電信廠商目前都已經開展了新一代移動通信系統的研究，而且由于MIMO和OFDM在提高無線鏈路的傳輸速率和可靠性的巨大潛力，使得這兩種技術特別是二者的結合有望成為過渡到4G的潛在技術。因此這兩種技術已經成為目前4G研究的熱點。

6 結束語

　　MIMO技術是具有極高頻譜利用率的技術，在V-BLAST算法下，理想情況下可以達到20~40bits/s/Hz，這是目前任何一種技術所達不到的。另外在各類無線通信系統中，ISI（符號間干擾）一直是影響通信質量的重要因素。OFDM技術能夠有效對抗ISI，同時具有頻譜利用率高，抗多徑衰落性能好，成本偏低等優點，因此這二者的結合是一種必然的趨勢。也必將成為下一代移動通信系統的核心技術之一。

　　任立剛，北京郵電大學PCN&&CAD中心博士研究生，研究方向為移動數據通信，未來移動通信關鍵技術。

　　宋梅，女，北京郵電大學副教授，碩士生導師，主要研究方向為未來移動通信。

　　喬強國，男，北京郵電大學碩士生，主要研究方向為OFDM技術在移動通信中的應用。

　　宋俊德，男，北京郵電大學教授，博士生導師，主要研究方向為CTI技術、未來無線移動通信技術。

　　朱松儉，男，北京郵電大學電子工程系博士研究生，主要從事第三代移動通信關鍵技術方面的研究。

　　郗松楠，女，北京郵電大學碩士生，主要研究方向為未來移動通信。

----《中國數據通信》