作者：陳莉

    摘要本章簡單介紹了MIMO-OFDM技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，著重介紹了基于空中接口的MIMO-OFDM要害技術(shù)，包括MIMO-OFDM信道估計(jì)、空時處理技術(shù)。

    1、引言

    新一代移動通信(Beyond3G/4G)將可以提供高達(dá)100Mb/s甚至更高數(shù)據(jù)傳輸速率，支持從語音到多媒體的業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸速率可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)所需的速率不同動態(tài)調(diào)整。新一代移動通信的另一個特點(diǎn)是低成本。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。將二者有效的結(jié)合起來已成為下一代移動通信技術(shù)的熱點(diǎn)。

    2、MIMO技術(shù)簡介

    多輸入多輸出MIMO無線通信技術(shù)是指任何一個無線通信系統(tǒng)只要其發(fā)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(jīng)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(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時編碼處理能夠?qū)@些數(shù)據(jù)流進(jìn)行分離和解碼，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。

    圖1  N根發(fā)射天線N根接收天線的MIMO系統(tǒng)框圖

    非凡是當(dāng)這N個子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的構(gòu)筑多條相互獨(dú)立的通道，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進(jìn)行優(yōu)化，從而可實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率，這是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。

    3、OFDM簡介

    OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)。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(jìn)行窄帶調(diào)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(guān)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(tǒng)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(diào)制和解調(diào)可以采用IFFT和FFT方法來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示：

    圖2  OFDM系統(tǒng)的工作原理

    OFDM已經(jīng)廣泛應(yīng)用于廣播信道方式的寬帶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，如數(shù)字音頻電視(DAB)、高清楚度數(shù)字電視(HDTV)以及IEEE802.11a和IEEE802.16a無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中(WLAN)。勿庸置疑，OFDM將是下一代移動無線系統(tǒng)中空中接口技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

    4、MIMO與OFDM結(jié)合的必要性

    從以上分析我們可以看出MIMO和OFDM在各自的應(yīng)用領(lǐng)域有各自的優(yōu)點(diǎn)，MIMO系統(tǒng)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(xiàn)在一般采用均衡技術(shù)來解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落。還有一種就是OFDM技術(shù)，OFDM被認(rèn)為是下一代移動通信中的核心技術(shù)。4G需要高的頻譜利用率的技術(shù)，但OFDM提高頻譜利用率的能力究竟有限。假如結(jié)合MIMO技術(shù)，可以在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下提高頻譜效率。MIMO+OFDM技術(shù)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又可以通過分集達(dá)到很強(qiáng)的可靠性，假如把合適的數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用到MIMO+OFDM系統(tǒng)中能更好的增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，OFDM由于碼率低和加入了時間保護(hù)間隔而具有很強(qiáng)的抗多徑干擾能力。多徑時延小于保護(hù)間隔使系統(tǒng)不受碼間干擾的影響。這樣就可以使單頻網(wǎng)絡(luò)使用寬帶OFDM系統(tǒng)依靠MIMO技術(shù)消除陰影效應(yīng)。

    5、MIMO+OFDM中的要害技術(shù)

    5.1MIMO-OFDM系統(tǒng)模型

    MIMO-OFDM系統(tǒng)模型如圖3所示

    圖3  MIMO-OFDM發(fā)射端的簡明方框圖

    (1)發(fā)射端：信源的比特流經(jīng)前向糾錯編碼交織后映射到數(shù)字解調(diào)器的星座圖上，再進(jìn)入OFDM編碼器進(jìn)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(yīng)指定的發(fā)射天線，并且它們的發(fā)射過程是一樣的。首先根據(jù)導(dǎo)頻模型插入導(dǎo)頻符號，然后頻域內(nèi)的符號流經(jīng)FFT反變換成OFDM符號流。每個OFDM符號前加一個循環(huán)前綴以減弱信道延遲擴(kuò)展的影響，每個時隙前加前綴用以定時，最后數(shù)據(jù)幀經(jīng)IF/RF器件發(fā)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(jìn)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(huán)前綴碼，接下來通過FFT變換解調(diào)剩下的OFDM符號。在頻域內(nèi)，從解調(diào)后的OFDM符號中提取頻率導(dǎo)頻。然后通過精細(xì)的頻率同步和定時，準(zhǔn)確的提取出導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)符號。從所有接收天線中提取出的頻率導(dǎo)頻是用作信道估計(jì)的。這個受信道估計(jì)的矩陣輔助MIMO解碼器對OFDM符號的解碼。最后，經(jīng)解碼后的符號流被發(fā)送到接收器。

    5.2同步

    對于MIMO-OFDM系統(tǒng)的同步問題涉及前導(dǎo)序列的設(shè)計(jì)，時間和頻率同步，以及信號檢測技術(shù)等方面。一般來說，在MIMOOFDM系統(tǒng)在下行和上行鏈路傳播之間都存在同步時隙，用于實(shí)施相位和頻率對齊。并且實(shí)施頻率偏差估計(jì)。時隙可按以下方式構(gòu)成：在偶數(shù)序號的子載波上發(fā)送數(shù)據(jù)和練習(xí)符號，而在奇數(shù)序號的子載波上設(shè)置為零。這樣經(jīng)過IFFT變化后得到的時域信號就會被重復(fù)，有利于信號的檢測。

    5.3信道估計(jì)

    MIMO-OFDM是一種能夠提高速率和增大系統(tǒng)容量的技術(shù)。為了提高速率，接收端需要獲得精確的信道狀態(tài)信息。然而對于OFDM系統(tǒng)，不同的信號同時從不同的天線發(fā)射出去，接收的信號是這些信號的重疊，這就給信道估計(jì)帶來了困難。至于導(dǎo)頻形式，MIMOOFDM系統(tǒng)有三種信道估計(jì)算法，分別是基于分散導(dǎo)頻、正交導(dǎo)頻、分組導(dǎo)頻。相比較而言，第一種算法廣泛應(yīng)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(dǎo)頻形式

    發(fā)射天線的導(dǎo)頻形式設(shè)計(jì)如下：時域內(nèi)的導(dǎo)頻間隔滿足抽樣定理。根據(jù)帶有導(dǎo)頻的鄰近的OFDM符號的信道估計(jì)，通過時域插入的方法來估計(jì)不帶導(dǎo)頻的OFDM符號的信道頻率響應(yīng)(CFR)。在MIMO-OFDM信道估計(jì)算法中是這樣描述的：頻域內(nèi)，導(dǎo)頻間隔應(yīng)滿足以下的不等式：

    FFTsize/PSF.M＞MaximumDelay(1)

    其中PSF指的是頻域內(nèi)的導(dǎo)頻間隔，MaximumDelay是指在抽樣的單位時間內(nèi)，發(fā)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(jì)

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

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

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

    ◆把這個CIR序列分成相等的M段(M就是發(fā)射天線的數(shù)目)。這樣每一段就是一對收發(fā)天線的被估計(jì)的CIR。因此每一段經(jīng)填零后再作IFFT變換(點(diǎn)數(shù)和FFT一樣)，這樣就得到了所有天線的估計(jì)。

    5.4MIMO空時處理技術(shù)

    目前，MIMO的空時處理技術(shù)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(tǒng)一融合的方向發(fā)展。

    (1)空間復(fù)用

    空間復(fù)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(dú)立的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在主要有四種空間復(fù)用技術(shù)：對角BLAST(貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時)、水平BLAST、正交BLAST和TURBOBLAST。其中正交BLAST由于執(zhí)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(shù)：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(nèi)在聯(lián)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(diào)制星座的大小和狀態(tài)數(shù)的增加，以及編碼長度的增加，譯碼的復(fù)雜性也增大。而STBC基于正交性的設(shè)計(jì)，可以獲得更大的分集增益同時也降低了譯碼的復(fù)雜度，因此STBC是目前最廣泛的應(yīng)用。聞名的Alamouti編碼就是STBC的一個特例，它采用兩根發(fā)射天線，空頻分組碼(SFBC)也是基于STC的基礎(chǔ)上的，STBC設(shè)計(jì)的前提是假設(shè)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(jù)信道是時間選擇性信道還是頻率選擇性信道來選擇應(yīng)用STBC或SFBC。不管信道的時延擴(kuò)展如何，當(dāng)且僅當(dāng)信道在時域內(nèi)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(dāng)且僅當(dāng)信道在頻域內(nèi)是慢變化的而且信道延遲擴(kuò)展較小時，我們才使用SFBC。如何構(gòu)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(diǎn)。

    5.5糾錯編碼技術(shù)

    信道編碼在現(xiàn)代數(shù)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(tǒng)的要求聯(lián)系在一起的。GSM系統(tǒng)提供的是低比特率的語音服務(wù)和一些數(shù)據(jù)服務(wù)，在一些重要的比特上結(jié)合使用分組碼和卷積碼。第三代移動通信系統(tǒng)則要求有更大的系統(tǒng)容量和更靈活的高速率、多速率的數(shù)據(jù)傳輸，除了卷積碼外還首次采用了Turbo碼。在未來的4G系統(tǒng)中Turbo碼和LDPC碼(低密度奇偶校驗(yàn)碼)是前向糾錯編碼方案的研究熱點(diǎn)。

    5.6自適應(yīng)調(diào)制和編碼技術(shù)(AMC)

    時變的無線信道條件和時變的系統(tǒng)容量是無線移動通信系統(tǒng)的兩個重要的特點(diǎn)。未來的系統(tǒng)要求提供大動態(tài)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)速率，在實(shí)際應(yīng)用的頻譜范圍內(nèi)，為了滿足這種要求，提高頻譜利用率，降低發(fā)射功率的需求，必須采用自適應(yīng)調(diào)制和編碼技術(shù)。AMC是一種信息速率調(diào)整技術(shù)，現(xiàn)在應(yīng)用于HSPDA和IEEE802.16中。

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

    AMC的執(zhí)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(diào)制方法，必須考慮信道的質(zhì)量性能。假如對信道的估計(jì)有錯就有可能選擇了錯的速率，或是發(fā)射功率過大，浪費(fèi)了系統(tǒng)的容量，或是發(fā)射功率過低，提高了分組的差錯率。有關(guān)信道測量報(bào)告的延遲也會減少信道質(zhì)量估計(jì)的可靠性，而且接口的變化也會增加測量的錯誤。

    6、總結(jié)

    本文介紹了MIMO-OFDM技術(shù)概念的和要害技術(shù)，如信道估計(jì)、空時處理技術(shù)、糾錯編碼技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制和編碼技術(shù)等。由于MIMO-OFDM系統(tǒng)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(shù)研究的熱點(diǎn)。