現(xiàn)代通信系統(tǒng)論文之OFDM-MIMO技術(shù)研究

1、 現(xiàn)代通信系統(tǒng)論文 題 目： OFDM-MIMO技術(shù)研究 姓 名： 張斌 學(xué) 院： 信息與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 班 級： 01班 學(xué) 號： 124303032 指導(dǎo)教師： 鐘文 2015年11月 1日 摘要隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，通信業(yè)也如火如荼的進(jìn)行著改革。我們?nèi)粘Ｉ钫蟛降南蚓W(wǎng)絡(luò)化、信息化和高速化邁進(jìn)。MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合被視為下一代移動通信中有效對抗頻率選擇性衰落、提高數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率、增大系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)。本文全面敘述了MIMO 和OFDM技術(shù)及其特點(diǎn)，分析了MIMO OFDM技術(shù)在無線局域網(wǎng)中的應(yīng)用，探討了MIMO OFDM中的關(guān)鍵技術(shù)，并展望了其發(fā)展前景。關(guān)

2、鍵字：MIMO； OFDM；空時(shí)編碼；信道估計(jì)； 4G 目錄引言一、MIMO-OFDM技術(shù)原理和特點(diǎn).21.OFDM技術(shù).22.MIMO(多輸入多輸出)技術(shù).53.MIMO與OFDM結(jié)合的必要性和簡介.74. MIMO+OFDM中的關(guān)鍵技術(shù).72、 結(jié)論.10參考文獻(xiàn).11 引言 新一代移動通信(Beyond 3G/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(gè)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(gè)天線實(shí)現(xiàn)

3、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)。 一. MIMO-OFDM技術(shù)原理和特點(diǎn) 1. OFDM技術(shù) 1.1 OFDM技術(shù)原理 多徑散射是產(chǎn)生頻率選擇性衰落之源。面向頻率選擇性信道的信息傳輸技術(shù)的研究是寬帶移動通信中最具有挑戰(zhàn)性的工作之一。在第三代移動通信系統(tǒng)中，采用碼分多址（CDMA）技術(shù)來處理多徑問題，以獲得多徑分集增益。然而在該體制中，多徑干擾和多用戶干擾始終并存。雖然在理論上采用多用戶檢測（MUD）的辦法能夠完全分離各個(gè)

4、用戶的信號，分解多址干擾和多徑干擾，但在用戶數(shù)較多的情況下，實(shí)現(xiàn)多用戶檢測是非常困難的。OFDM是一種高頻譜利用率的并行傳輸技術(shù)，其思想是使用多個(gè)并行的子載波傳輸數(shù)據(jù)，并使相鄰子載波間隔等于一個(gè)子載波的帶寬，子載波之間相互正交。在理想情況下，接收端可以利用子載波之間的正交性，互不干擾地對各子載波進(jìn)行解調(diào)。由于頻譜重疊，OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率提高幅度與一般的頻分復(fù)用相比幾乎達(dá)到一倍。OFDM傳輸技術(shù)與單載波系統(tǒng)相比最大的優(yōu)勢在于它適配于頻率選擇性衰落信道。在接收端，經(jīng)過無線信道后的OFDM信號各子信道間保持了原有的正交性，信道干擾的影響簡化為一個(gè)復(fù)傳輸常數(shù)與一個(gè)子信道所傳輸?shù)男盘栂喑?。因此，?/p>

5、信號進(jìn)行均衡變得很簡單，但在傳統(tǒng)的相同帶寬的單載波系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這種均衡是非常困難的。信源出來的數(shù)據(jù)流經(jīng)過前向糾錯(cuò)編碼后進(jìn)入調(diào)制單元。常用的糾錯(cuò)編碼方式是：RS碼符號交織卷積碼比特交織。糾錯(cuò)編碼后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過QPSK、QAM等方式的調(diào)制后，插入導(dǎo)頻(主要進(jìn)行信道估計(jì)或者用于同步)，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，被分為N路子數(shù)據(jù)流，分別對應(yīng)OFDM調(diào)制的N個(gè)子信道。然后進(jìn)行IFFT變換，并串轉(zhuǎn)換后添加循環(huán)前綴CP，經(jīng)天線發(fā)射出去。接收端則進(jìn)行相反的過程。1.2 OFDM技術(shù)特點(diǎn) OFDM技術(shù)優(yōu)點(diǎn) OFDM將頻率選擇性信道劃分為一組平衰落的子信道并行傳輸數(shù)據(jù)，從而有效地減小了信道時(shí)延擴(kuò)展的影響，而且當(dāng)循環(huán)前綴的長度大

6、于信道最大時(shí)延擴(kuò)展時(shí)，接收機(jī)中可以不采用均衡器。 OFDM的各子載波信道的頻譜相互重疊，且每個(gè)子信道頻域響應(yīng)的峰值點(diǎn)恰為其它子信道頻域響應(yīng)的零點(diǎn)，因而既保證了子載波的正交性，也充分利用了頻譜資源。 可利用FFT/IFFT快速高效的實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)。 可以根據(jù)信道特性自適應(yīng)地進(jìn)行各子載波上的功率分配以及選擇不同的調(diào)制方式，充分利用條件好的子信道以提高系統(tǒng)性能。 OFDM技術(shù)缺點(diǎn) 與單載波系統(tǒng)相比，OFDM對頻率偏差更加敏感。無線信道的時(shí)變性造成的多普勒頻移，或者發(fā)射機(jī)和接收機(jī)本地振蕩器的頻率偏差都會破壞子載波的正交性，從而導(dǎo)致ICI。 OFDM存在較高的峰值平均功率比，這是由于OFDM的輸出信號由多

7、個(gè)子信道上的信號疊加而成，當(dāng)這些信號的相位一致時(shí)，輸出信號的瞬時(shí)功率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均功率。高峰均比對發(fā)射機(jī)內(nèi)的線性放大器提出了很高的要求，如果放大器的動態(tài)范圍不能滿足信號幅度的變化，就會造成信號波形和頻譜的畸變，因而破壞子載波的正交性。1.3 OFDM仿真 1.3.1仿真流程如下： 圖2 1.3.2 仿真結(jié)果：圖3圖4圖5圖62. MIMO（多輸入多輸出）技術(shù) 多入多出(MIMO)技術(shù)是無線通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。MIMO技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。普遍認(rèn)為，MIMO將是新一代無線通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。 在室內(nèi)，電磁環(huán)境較為復(fù)雜，多經(jīng)效應(yīng)、頻率選

8、擇性衰落和其他干擾源的存在使得實(shí)現(xiàn)無線信道的高速數(shù)據(jù)傳輸比有線信道困難。多徑效應(yīng)會引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對于MIM0系統(tǒng)來說，多徑效應(yīng)可以作為一個(gè)有利因素加以利用。通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。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。MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。傳輸信息流S(k)經(jīng)過空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流Ci(k)，i=1，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。 特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號

9、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，則MIMO系統(tǒng)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)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。 MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)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(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。  圖7為 N根發(fā)射天線N根接收天線的MIMO系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為公式

10、（1） C=min(M,N)Blog2(2)其中B為信號帶寬，為接收端平均信噪比，min（M，N）為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時(shí)，MIMO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。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。因此，MIMO技術(shù)對于提高無線局域網(wǎng)的容量具有極大的潛力。MIMO 信道容量C和SNR的關(guān)系仿真：圖83. MIMO與OFDM結(jié)合的必要性和簡介 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

11、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畢竟有限。如果結(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，如果把合適的數(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(shí)間保護(hù)間隔而具有很強(qiáng)的抗多徑干擾能力。多徑時(shí)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MI

12、MO技術(shù)消除陰影效應(yīng)。 MIMO-OFDM技術(shù)是通過在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，是聯(lián)合OFDM和MIMO而得到的一種新技術(shù)。它利用了時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。 可以看出，MIMO-OFDM系統(tǒng)有Nt個(gè)發(fā)送天線，Nr個(gè)接收天線，在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個(gè)空間信道，不會全部同時(shí)衰落。輸入的比特流經(jīng)串并變換分為多個(gè)分支，每個(gè)分支都進(jìn)行OFDM處理，即經(jīng)過編碼、交織、AM映射、插入導(dǎo)頻信號、IDFT變換、加循環(huán)前綴等過程，再經(jīng)天線發(fā)送到

13、無線信道中；接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號處理過程，例如：去除循環(huán)前綴、DFT變換、解碼等等，同時(shí)進(jìn)行信道估計(jì)、定時(shí)、同步、MIMO檢測等技術(shù)，來完全恢復(fù)原來的比特流。 4.MIMO+OFDM中的關(guān)鍵技術(shù) 4.1 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型 MIMO-OFDM系統(tǒng)模型如圖9所示 圖9MIMO-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(cuò)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(gè)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(gè)

14、OFDM符號前加一個(gè)循環(huán)前綴以減弱信道延遲擴(kuò)展的影響，每個(gè)時(shí)隙前加前綴用以定時(shí)，最后數(shù)據(jù)幀經(jīng)IF/RF器件發(fā)射出去。如圖10所示。 圖10 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(shí)。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(shí)，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(gè)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

15、流被發(fā)送到接收器。4.2 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(shí)間和頻率同步，以及信號檢測技術(shù)等方面。一般來說，在MIMO OFDM系統(tǒng)在下行和上行鏈路傳播之間都存在同步時(shí)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(shí)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)和訓(xùn)練符號，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(shí)域信號就會被重復(fù)，有利于信號的檢測。 4.3 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(shí)從不同的天線發(fā)射出去，接收的信

16、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，MIMO OFDM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(shí)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(shí)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.MMaximum Delay (1)其中PSF指的是頻域內(nèi)的

17、導(dǎo)頻間隔，Maximum Delay是指在抽樣的單位時(shí)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(gè)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)。 4.4 MIMO空時(shí)處理

18、技術(shù)目前，MIMO的空時(shí)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(cuò)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)?，F(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(shí))、水平BLAST、正交BLAST和TURBO BLAST。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(shí)編碼   目前主要有兩種空時(shí)編碼技術(shù)：空時(shí)分組碼(ST

19、BC)和空時(shí)格柵編碼(STTC)。空時(shí)格柵編碼建立了空域和時(shí)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(shí)也降低了譯碼的復(fù)雜度，因此STBC是目前最廣泛的應(yīng)用。著名的Alamouti編碼就是STBC的一個(gè)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(shí)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(shí)間選擇性信道還是頻率選擇性信道來選擇應(yīng)用STBC或S

20、FBC。不管信道的時(shí)延擴(kuò)展如何，當(dāng)且僅當(dāng)信道在時(shí)域內(nèi)是慢變化的，而且終端慢速移動時(shí)，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(shí)，我們才使用SFBC。如何構(gòu)造性能更好，而且譯碼簡單的空時(shí)編碼也是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。   4.5 糾錯(cuò)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

21、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(cuò)編碼方案的研究熱點(diǎn)。   4.6 自適應(yīng)調(diào)制和編碼技術(shù)(AMC) 時(shí)變的無線信道條件和時(shí)變的系統(tǒng)容量是無線移動通信系統(tǒng)的兩個(gè)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(shí)變化來改變調(diào)制和編碼的方式。對于一個(gè)