MIMO-OFDM技术在4G中的应用 应用, 技术

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MIMO-OFDM技术在4G中的应用

                  刘 淼  boy_seu@126.com      

东南大学   江苏南京   210096

【摘要】本文介绍了第四代移动通信系统中的MIMO-OFDM技术。叙述了OFDM和MIMO技术基本原理与特点，介绍了OFDM同步、MIMO信道容量、空时编码技术以及MIMO-OFDM系统中信道估计技术。MIMO技术和OFDM技术相结合，成为第四代移动通信系统中有效对抗频率选择性衰落、提高数据传输数率、增大系统容量的关键技术。

【关键词】MIMO； OFDM； 空时编码； 信道估计； 4G

The Application Of MIMO-OFDM Technique In 4G

Liu Miaoboy_seu@126.com

SouthEast University   Jiangsu Nanjing  210096

【Abstract】In this papar,we introduce the application of MIMO-OFDM technique in 4G.,and narrate the principle and the feature of OFDM and MIMO.We also introduce the synchronization technique for OFDM system,channel capacity in MIMO system, Space-Time coding as well as channel estimation in MIMO-OFDM system.The technique association of MIMO and OFDM will be the key technique in 4G which will conquer the frequency selected fading,increase the data transmission rate and improve the system capacity.

【Key words】 Mutiple-Input Mutiple-Output, Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Space-Time Coding, Channel Estimation, 4G

前言　
　　随着移动通信业务的飞速发展、用户数量的急剧增长以及信息网络中的多媒体业务的不断涌现，一个大容量、具有多媒体接入能力的新型移动通信系统成为人们的期待目标，于是第三代移动通信系统（3G）应运而生。具有代表性的标准有欧洲标准WCDMA、北美标准CDMA-2000和中国标准TDS-CDMA等。

然而，3G存在一些不足，很难达到较高的通信数率，提供服务数率的动态范围不大，不能满足各种业务类型要求，分配给3G系统的资源趋于饱和等。国际电信联盟(ITU)已经研究制定4G系统标准，把移动通信系统同其他系统(如无线局域网，WLAN，Adhoc网络，OFDM，MIMO)等结合，2010年前，数据传输数率达100Mbit/s。提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信等的无缝衔接，相互兼容。4G拥有更高的数据传输数率和频谱利用率，更好的安全性、智能性和灵活性，更好的传输质量和服务质量(Qos)，实现移动和无线接入网及IP网路完全融合。

MIMO-OFDM技术相结合可以克服无线信道频率选择性衰落，增加系统容量，提高频谱利用率，成为4G中关键技术之一。

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1 OFDM技术
1.1 OFDM技术原理

多径散射是产生频率选择性衰落之源。面向频率选择性信道的信息传输技术的研究是宽带移动通信中最具有挑战性的工作之一。在第三代移动通信系统中，采用码分多址（CDMA）技术来处理多径问题，以获得多径分集增益。然而在该体制中，多径干扰和多用户干扰始终并存。虽然在理论上采用多用户检测（MUD）的办法能够完全分离各个用户的信号，分解多址干扰和多径干扰，但在用户数较多的情况下，实现多用户检测是非常困难的。

OFDM是一种高频谱利用率的并行传输技术，其思想是使用多个并行的子载波传输数据，并使相邻子载波间隔等于一个子载波的带宽，子载波之间相互正交。在理想情况下，接收端可以利用子载波之间的正交性，互不干扰地对各子载波进行解调。由于频谱重叠，OFDM系统的频谱利用率提高幅度与一般的频分复用相比几乎达到一倍。OFDM传输技术与单载波系统相比最大的优势在于它适配于频率选择性衰落信道。在接收端，经过无线信道后的OFDM信号各子信道间保持了原有的正交性，信道干扰的影响简化为一个复传输常数与一个子信道所传输的信号相乘。因此，对信号进行均衡变得很简单，但在传统的相同带宽的单载波系统中实现这种均衡是非常困难的。


图1-1 OFDM系统框图

信源出来的数据流经过前向纠错编码后进入调制单元。常用的纠错编码方式是：RS码＋符号交织＋卷积码＋比特交织。纠错编码后的数据流经过QPSK、QAM等方式的调制后，插入导频(主要进行信道估计或者用于同步)，经过串并转换，被分为N路子数据流，分别对应OFDM调制的N个子信道。然后进行IFFT变换，并串转换后添加循环前缀CP，经天线发射出去。接收端则进行相反的过程。

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1.2 OFDM技术特点

OFDM技术优点

① OFDM将频率选择性信道划分为一组平衰落的子信道并行传输数据，从而有效地减小 了信道时延扩展的影响，而且当循环前缀的长度大于信道最大时延扩展时，接收机中可以不采用均衡器。

②OFDM的各子载波信道的频谱相互重叠，且每个子信道频域响应的峰值点恰为其它子信道频域响应的零点，因而既保证了子载波的正交性，也充分利用了频谱资源。

③可利用FFT/IFFT快速高效的实现调制解调。

④可以根据信道特性自适应地进行各子载波上的功率分配以及选择不同的调制方式，充分利用条件好的子信道以提高系统性能。

OFDM技术缺点

①与单载波系统相比，OFDM对频率偏差更加敏感。无线信道的时变性造成的多普勒频移，或者发射机和接收机本地振荡器的频率偏差都会破坏子载波的正交性，从而导致ICI。

②OFDM存在较高的峰值平均功率比，这是由于OFDM的输出信号由多个子信道上的信号叠加而成，当这些信号的相位一致时，输出信号的瞬时功率会远远大于平均功率。高峰均比对发射机内的线性放大器提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号幅度的变化，就会造成信号波形和频谱的畸变，因而破坏子载波的正交性。

1.3 OFDM同步技术

(1)按是否使用训练序列可以分为数据辅助同步方法和非数据辅助同步方法。数据辅助同步方法一般采用发送已知的训练序列或者导频信号进行同步，具有估计精度高，计算简单，捕获范围大等优点，但降低了系统传输数据的有效速率和频谱利用率，这种方法适用于突发数据块传输系统，如IEEE802.11a等。非数据辅助同步方法不需要额外数据作为训练序列，一般利用循环前缀和数据中被复制部分的相关性进行同步，或者利用OFDM的虚载波部分进行同步，这类方法不降低系统传输数据的有效速率，具有较高的频谱利用率，但一般计算复杂度较高，估计精度较低，因此这种方法适合广播式连续传输系统如DAB/DVB系统等。

(2)按同步的精度可以分为粗同步和精同步。定时粗同步是指大范围低精度的时间偏移估计和调整；定时精同步是指小范围高精度的时间偏移估计和调整。频率粗同步是指归一化频率偏移的整数倍部分的估计和补偿，或是大范围低精度的频率偏移估计和补偿；频率精同步是指归一化频率偏移的小数倍部分的估计和补偿，或是小范围高精度的频率偏移估计和补偿。

(3)按处理同步算法的域可以分为时域处理和频域处理。时域处理的同步算法是指在FFT之前进行同步；频域处理的同步算法是指在FFT之后进行同步。频域处理具有一些局限性：①由于接收数据需要进行FFT运算后才能得到频域数据，因此需要其他方法来确定FFT运算的起点，所以频域处理不能单独作为一个完整的时间频率同步方案；②由于频偏的小数部分会导致进行FFT运算后产生ICI，因此频域处理要求频偏的小数部分不能超过一定的范围。由于频域处理的以上局限性，时域处理成为同步的首选方法，而频域处理只在特殊的情况下进行局部应用和对时域处理的辅助估计。

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2 MIMO技术
MIMO(Mutiple-Input Mutiple-Output)技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用空间中增加的传输信道，在发送端和接收端采用多天线同时发送和接收信号。由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频谱，所以并未增加带宽，因而能够成倍提高系统的容量和频谱利用率。

2.1 MIMO系统模型


图0‑1 MIMO系统模型

图2-1给出了一个平衰落MIMO系统模型。对于一个 根发射天线， 根接收天线的MIMO系统，平衰落MIMO信道可以表示为如下 维的矩阵：



表示第n时刻从第j根发射天线到第i根接收天线之间的信道响应。如果信道是准静止的，则在一个数据块内可以省略参数n。平衰落MIMO信道的传输关系为：



是 维的接收信号向量， 是 维的发射信号向量， 是加性白高斯噪声，其自相关阵为 。

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3 MIMO-OFDM技术
OFDM 技术是一种特殊的多载波传输方案，其多载波之间相互正交，可以高效利用频

谱资源，同时OFDM 将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效抵抗频率选择性衰落。与

MIMO 技术相结合的MIMO-OFDM 系统既可以达到很高的传输效率，又可以通过分集达到

很强的可靠性，从而成为第四代移动通信系统核心技术的解决方案。

3.1 MIMO-OFDM系统模型


图1 MIMO-OFDM系统模型

为发射天线个数， 为接受天线个数。OFDM块子载波个数为K，循环前缀CP长度为 。调制后输出信号为 ，这里i是发射天线号，n为OFDM符号周期数，k为相应的子载波序号。 。调制后信号 经过IFFT变换后，添加循环前缀CP消除符号间干扰ISI。经过并串转化后，从天线发射出去。

3.2 MIMO-OFDM的信道估计

在一个传输分集的OFDM系统中，只有在收端有很好的信道信息时，空时码才能进行有效的解码[。估计信道参数的难度在于，对于每一个天线每一个子载波都对应多个信道参数。但好在对于不同的子载波，同一空分信道的参数是相关的。根据这一相关性，可以得到参数的估计方法。

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MIMO-OFDM系统信道估计方法一般有三种：非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。下面分别对这三种信道估计方法进行简单介绍。

3.2.1 非盲信道估计

非盲信道估计是通过在发送端发送导频信号或训练序列，接收端根据所接收的信号估计出导频处或训练序列处的信道参数，然后根据导频或训练序列处的信道参数得到数据信号处的信道参数。当信道为时变信道时，即使是慢时变信道，也必须周期性的发射训练序列，以便及时更新信道估计。这类方法的好处是估计误差小，收敛速度快，不足是由于发送导频或训练序列而浪费了一定的系统资源。

3.2.2 盲信道估计

盲信道估计是利用信道的输出以及与输入有关的统计信息，在无需知道导频或训练序列的情况下估计信道参数。其好处是传输效率高，不足是鲁棒性相对较差、收敛速度慢，而且运算量较大。

3.2.3 半盲信道估计

半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来的，它利用尽量少的导频信号或训练序列来确定盲信道估计算法所需的初始值，然后利用盲信道估计算法进行跟踪、优化，获得信道参数。

由于盲信道算法运算复杂度较高，目前还存在很多问题，难以实用化。而半盲信道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上进行折衷处理，从而降低运算复杂度。可以预计，对盲及半盲信道估计的研究将成为MIMO-OFDM信道估计研究的热点。

4 总结　
将MIMO技术和OFDM技术相结合，能够充分利用这两种技术优点，既能提高分集增益和系统容量，又能增加频谱利用率，有效对抗频率选择性衰落。因此，MIMO和OFDM的结合成为第四代移动通信系统中有效对抗频率选择性衰落、提高数据传输数率、增大系统容量的关键技术。