MIMO-OFDM系统原理及其关键技术

增加而增加。相对而言，在不占用额外的带宽，也不消耗额外的发射功率的情况下，利用MIMO技术可以成倍地提高系统传输容量，大大提高了频谱利用率，这是无线通信领域智能天线技术的重大突破。

MIMO-OFDM系统

3.1 MIMO、OFDM系统组合的必要性

在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号传输过程中必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落，因而被视为有害因素。然而MIMO系统是针对多径无线信道而产生的，在一定程度上可以利用传播过程中产生的多径分量，多径效应对其影响并不大，反而可以作为一个有利因素加以使用。但MIMO对于频率选择性衰落仍无法避免，而解决频率选择性衰落问题恰恰正是OFDM的一个长处。

OFDM技术实质上是一种多载波窄带调制，可以将宽带信道转化成若干个平坦的窄带子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的频率选择性衰落可以看作是平坦性衰落。 OFDM被认为是第四代移动通信中的核心技术，然而4G需要高的频谱利用技术和高速传输系统，为了进一步提高系统传输速率，使用OFDM技术的无线通信网就必须增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的占用带宽。而MIMO多天线技术能在不增加带宽的情况下，在每一个窄带平坦子信道上获得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系统的容量和频谱效率，是一种利用空间资源换取频谱资源的技术。

因此MIMO-OFDM系统的提出是无线通信领域的重大突破，其频谱利用率高、信号传输稳定、高传输速率等基本特性能够满足下一代无线传输网发展要求。MIMO-OFDM系统内组合了多输入和多输出天线和正交频分复用调制两大关键技术。这种系统通过空间复用技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过空时分集和正交频分复用达到很强的可靠性和频谱利用率。

3.2 MIMO-OFDM系统模型

在典型的MIMO-OFDM系统模型中，发射端（N个发射天线）工作流程如下：输入的数据符号流经串/并电路分成N个子符号流，采用信道编码技术对每个符号流进行无失真压缩并加入冗余信息，调制器对编码后的数据进行空时调制；调制后的信号在IFFT电路中实现OFDM调制处理，完成将频域数据变换为时域数据的过程，然后输出的每个OFDM符号前加一个循环前缀以减弱信道延迟扩展产生的影响，每个时隙前加前缀用以定时，这些处理过的OFDM信号流相互平行地传输，每一个信号流对应一个指定的发射天线，并经数模转换及射频模块处理后发射出去。

图3 带自适应方案的MIMO-OFDM系统基本结构

接收端进行与发射端相反的信号处理过程，首先通过接收端的M根接收天线接收信号，这些信号经过放大、变频、滤波等射频处理后，得到基带模拟接收信号;并分别通过模数转换将模拟信号转换为数字信号后进行同步，在去循环前缀后通过FFT解调剩下的OFDM符号;此时，时延数据变换成为频域数据，接下来在频域内，从解调后的OFDM符号中提取出频率导频，然后通过精细的频率同步和定时，准确地提取出导频和数据符号，实现数据还原。

如上说明，IFFT/FFT和循环前缀的添加和去除过程都在每一个独立的发送和接收模块内完成，而MIMO的空时编码和空间复用处理技术也可以应用于OFDM的每个子载波上（对应平衰落信道）。总而言之，在MIMO-OFDM系统中，增加了频域的分集和复用作用，带来了更大的系统增益和系统容量。

MIMO-OFDM系统的关键技术

4.1 MIMO空时信号处理技术

空时信号处理是随着MIMO技术而诞生的一个崭新的概念，与传统信号处理方式的不同之处在于其同时从时间和空间两方面研究信号的处理问题。空时信号处理包括发射端的信令方案和接收端的检测算法。从信令方案的角度看，MIMO可以大致分为空时编码（STC:Space Time Coding）和空间复用（SM:Spatial Multiplexing）两种。

（1）空时编码技术

空时编码技术在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接收端获得最大的分集增益和编码增益;但它的缺点是无法提高数据传输速率。一般而言，空时编码包括空时格码(STTC: Space-Time Trellis Code)和空时分组码(STBC:Space-Time Block Code)。空时格码可以实现满分集增益，并且具有相应的编码增益，抗衰落性能比较好。空时分组码也可以获得满分集增益，而且这种技术只需在接收端进行简单的线性处理，大大简化了接收机的结构。

（2）空间复用技术

空间复用是通过不同的天线尽可能多地在空间信道上传输相互独立的数据。MIMO技术的空间复用就是在接收端和