下一代移动通信中MIMO-OFDM技术研究

摘要　本章简单介绍了MIMO-OFDM技术的系统设计，着重介绍了基于空中接口的MIMO-OFDM关键技术，包括MIMO-OFDM信道估计、空时处理技术。

1、引言

　　新一代移动通信(Beyond 3G/4G)将可以提供高达100Mb/s甚至更高数据传输速率，支持从语音到多媒体的业务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。新一代移动通信的另一个特点是低成本。这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，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技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源。将二者有效的结合起来已成为下一代移动通信技术的热点。

2、MIMO技术简介

　　多输入多输出MIMO无线通信技术是指任何一个无线通信系统只要其发射端和接收端都采用了多个天线或天线阵列，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的，如图1所示。传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k)，i=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够对这些数据流进行分离和解码，从而实现最佳的处理。

　　特别是当这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的构筑多条相互独立的通道，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可实现高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

3、OFDM简介

　　OFDM是一种多载波调制技术。其核心是将信道分成若干个正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。另外，由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IFFT和FFT方法来实现。如图2所示：

　　OFDM已经广泛应用于广播信道方式的宽带数据通信系统中，如数字音频电视(DAB)、高清晰度数字电视(HDTV)以及IEEE802.11a和IEEE802.16a无线局域网标准中(WLAN)。勿庸置疑，OFDM将是下一代移动无线系统中空中接口技术研究的热点之一。

4、MIMO与OFDM结合的必要性

　　从以上分析我们可以看出MIMO和OFDM在各自的应用领域有各自的优点，MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍是无能为力，现在一般采用均衡技术来解决MIMO系统中的频率选择性衰落。还有一种就是OFDM技术，OFDM被认为是下一代移动通信中的核心技术。4G需要高的频谱利用率的技术，但OFDM提高频谱利用率的能力毕竟有限。如果结合MIMO技术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。MIMO+OFDM技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性，如果把合适的数字信号处理技术应用到MIMO+OFDM系统中能更好的增强系统的稳定性。另外，OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力。多径时延小于保护间隔使系统不受码间干扰的影响。这样就可以使单频网络使用宽带OFDM系统依靠MIMO技术消除阴影效应。

5、MIMO+OFDM中的关键技术

　　5.1　MIMO-OFDM系统模型

　　MIMO-OFDM系统模型如图3所示

　　(1)发射端：信源的比特流经前向纠错编码交织后映射到数字解调器的星座图上，再进入OFDM编码器进行编码。然后输出的符号流相互平行地传输，每一个符号流对应指定的发射天线，并且它们的发射过程是一样的。首先根据导频模型插入导频符号，然后频域内的符号流经FFT反变换成OFDM符号流。每个OFDM符号前加一个循环前缀以减弱信道延迟扩展的影响，每个时隙前加前缀用以定时，最后数据帧经IF/RF器件发射出去。如图4所示。

(2)接收端：接收天线接收来自IF/RF的符号流首先进行同步，包括粗略的频率同步和前缀辅助定时。然后从接收到的符号流中提取出前缀码和循环前缀码，接下来通过FFT变换解调剩下的OFDM符号。在频域内，从解调后的OFDM符号中提取频率导频。然后通过精细的频率同步和定时，准确的提取