MIMO-OFDM系统原理及其关键技术

未来的宽带无线通信系统，将在高稳定性和高数据传输速率的前提下，满足从语音到多媒体的多种综合业务需求。而要在有限的频谱资源上实现综合业务内容的快速传输，需要频谱效率极高的技术。MIMO技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。OFDM（正交频分复用）技术是多载波窄带传输的一种，其子载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源。二者的有效结合可以克服多径效应和频率选择性衰落带来的不良影响，实现信号传输的高度可靠性，还可以增加系统容量，提高频谱利用率，是第四代移动通信的热点技术。

OFDM技术原理及实现

无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成多个正交子信道，然后将高速数据信号转换成多个并行的低速子数据流，调制到每个信道的子载波上进行窄带传输。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰落，从而可以消除信道波形间的干扰。由于OFDM是一种多载波调制技术，OFDM系统采用正交方法来区分不同子载波，子载波间的频谱可以相互重叠，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又极大地提高了频谱利用率。如图1可见OFDM的正交性。

图1 OFDM信号频谱

由于OFDM系统中有大量载波，所以在实际应用中不可能像传统的处理方法一样，使用几十个甚至几百个振荡器和锁相环进行相干解调。因此，Weinstein提出了一种用离散傅里叶变换实现OFDM的方法。

设OFDM信号发射周期为［0，T］,在一个周期内传输的N个符号为(D0，D1，…，DN-1)。第k个符号Dk调制第k个载波fk，所以合成的OFDM信号为:

由式⑤可见，以fs对C(t)采样所得的N个样值(C0，C1，…，CN-1)刚好为(D0，D1，…，DN-1)的N点反向离散傅里叶变换(IDFT)。因此OFDM系统可以这样实现：在发射端，先由(D0，D1，…，DN-1)的IDFT求得(C0，C1，…，CN-1)，再经过低通滤波器即得所需的OFDM信号C(t);在接收端，先对C(t)采样得到(C0，C1，…，CN-1)，再对(C0，C1，…，CN-1)求DFT，即得(D0，D1，…，DN-1)。

在实际应用中，可以使用DFT的快速算法FFT来实现，采用易于实现的FFT和IFFT技术，可以快速实现调制与解调，而且容易利用DSP电路简单实现，大大降低了OFDM系统的复杂性。随着大规模集成电路技术与数字信号处理技术的迅速发展，许多DSP芯片的运算能力越来越快，显著改善了系统的性能，更进一步推动了OFDM技术的发展。目前，OFDM技术已被普遍认为是新一代无线通信系统必须采用的关键技术。

尽管OFDM有着种种优势，但是对于高速无线通信时代，单纯的OFDM系统传输容量仍无法大幅提高，因此，MIMO与OFDM技术的结合成为一种优化组合。

MIMO原理及其技术实现

MIMO技术是针对多径无线信道来说的，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，从而提高数据速率、减少误比特率，改善无线信号传送质量。如图2所示，MIMO系统同时利用信道编码和多天线技术，信号S(t)经过空时编码形成N个发射子流Wk(t)，（k=0，1，……，N-1）。这N个子流由N个天线发射出去，经空间传输后由M个接收天线接收。MIMO接收机通过空时解码处理这些子数据流，对其进行区分和解码，从而实现最佳的信号处理。MIMO系统正是依靠这种同时使用空域和时域分集的方法来降低信道误码率，提高无线链路的可靠性。

图2 MIMO系统信道模型

另一方面，这N个子流同时发射时，只占用同一传输信道，并不会增加使用带宽。在自由空间里，MIMO系统占用比普通天线系统更多的传输空间，用来在各发射和接收天线间构筑多条相互独立的通道，产生多个并行空间信道，并通过这些并行的空间信道独立地传输信息，达到了空间复用的目的，以此方式来提高系统的传输容量。

对于天线数与信道容量的关系，我们可以假设在发射端，各天线发射独立的等功率信号，而且各信号满足Rayleigh（瑞利）分布，根据MIMO系统的信道传输特性和香农信道容量计算方法，推导出平衰落MIMO系统信道容量近似表达式为:

其中B为信号带宽，SNR为接收端平均信噪比，min(N,M)为发射天线数量N和接收天线数量M中的最小者。式⑥表明，在同等传输带宽，而且接收端信噪比不变化的情况下（基本取决于外界条件和发射功率的变化），多入多出系统的信道容量随最小天线数目的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数量的对数