(MIMO-OFDM技术-

MIMO-OFDM技术MIMO-OFDM技术1MIMO技术无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道的时变和多径特性引起的，如何有效地对抗无线信道的衰落是高速移动通信必须要解决的问题。在无线通信系统中提高信息传输可靠性的一种有效手段是采用分集技术，以多输入多输出（MIMO）技术为代表的空间分集技术是当前的优选方案之一。MIMO的意思是MultipleInputMultipleOutput，其原理为MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。MIMO技术是现代通信的一大突破，该技术提供了解决未来无线网络传输瓶颈的方法。MIMO技术的核心思想是信号的空间-时间联合处理，即把数字信号固有的时间维度与多个空间分离天线带来的空间维度联合起来。在某种意义上，MIMO技术也可以看作是传统智能天线技术的扩展。1.1概述联合考虑发送分集和接收分集就构成了多输入多输出（MIMO，Multi-InputMulti-Output）系统，该系统能够获得更大的分集增益。MIMO系统的重要特征是能够利用无线通信的多径传播特性来提高系统的性能，即能够有效地利用无线链路中的随机衰落和延迟扩展特性来成倍地提高传输的速率或可靠性。1.2分集技术为了保证无线通信的可靠传输，主要用于补偿信道衰落损耗的分集技术是其中一种十分有效的方法。分集技术，是指在通信的过程中，系统要能够提供发送信号的副本，使得接收机能够获得更加准确的判断。根据获得独立路径信号的方法的不同可以分为时间分集、频率分集和空间分集等。其中，空间分集技术没有时延和环境的限制，能够获得更好的系统性能，可以分为接收分集和发射分集。传统的空间分集主要是接收分集，在这种接收方式中接收机对它收到的多个衰落特性相互独立但携带同一信息的信号进行特定的处理，以降低信号电平的起伏，这样显然会导致接收机的复杂度增加。而发射分集只需要在基站端增加天线，实现起来相对简单，因而得到了广泛关注。所有的发射分集技术本质上都具有一个共同点，那就是要使各个发射天线到达接收机端的信号相互独立，而且无论采用什么方法，接收机都必须能够区别出来自不同天线的信号，然后将它们合并在一起，从而获得分集增益。1.3MIMO系统图1.1MIMO系统示意图MIMO系统保留了传统智能天线的优点，图1.1所示为多天线MIMO系统示意图，二进制数据流经过信道编码、调制映射后通过发送天线发送出去，不同的映射方法将产生不同数量的符号流，然后不同的符号流传送到不同的天线上进行发送。映射可以是天线元素的线性空间加权，也可以是线性空时编码。然后经过上变频、成形滤波器和功率放大后，符号被发送到空间无线链路中。在接收端，利用多个天线接收发送的信号，然后经过解调、逆映射后恢复出原始信息。具体的编码方法和映射算法根据不同的应用目的可以自由选择。综上，MIMO系统中多个天线上的信号在更大的空间上被优化处理了，所以可以提供额外的自由度。这就是说，除了不同天线元组之上的信号相干合并带来的阵列增益外，MIMO系统还能够提供发送和接收分集增益。此外，MIMO系统中的数据是在矩阵形式的信道而不是矢量形式的信道中传输的，因此除了上述的分集和阵列增益外，MIMO还会带来系统容量的增加。MIMO系统中多个信道之间的独立性取决于系统中多径的富有程度（MIMO信道的空间选择性），因此MIMO系统能有效利用系统的多径特性。通常，用MIMO信道矩阵的秩来表示系统中独立信道的个数，显然信道矩阵的秩比发射天线和接收天线的个数都要小。通过线性代数分析可知，安全通过MIMO系统发送的信息符号的最大值为矩阵的秩。就工程意义而言，无线链路的频谱效率是由发送的信息流数据和误比特率（BER）共同决定的，实际系统中通过对多个天线上的比特流进行空时编码处理，可以大大降低误比特率。2MIMO-OFDM技术2.1MIMO-OFDM的基本思想众所周知，在未来的宽带无线通信系统中，存在两个严峻的挑战，即多径衰落信道和带宽效率。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转变成平坦信道，从而减小了多径衰落的影响；而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地增加了系统容童，即由MIMO提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的情况下增加频谱利用率。如果将OFDM和MIMO两种技术相结合，就能够达到两种效果：一是通过复用系统具有很高的系统容童和频谱利用率，二是通过分集系统具有很高的系统可靠性。同时，在多输入多输出正交频分复用（MIMO-OFDM）系统中加入合适的数字信号处理的算法，即空时编码，还可以更好地增强系统整体的稳定性。2.2空时编码技术从信息论的角度看，多天线MIMO系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高，这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率，也可以在保持信息传输速率不变的情况下通过增加信息冗余来提高通信系统的可靠性，一般可以在两者之间取一合理的折衷。空时编码（Space-Time-Code）技术是在1998年由VahidTarokh等人提出的一项基于发射分集的技术，其主要思想是：在发射端，采用适合多天线传输的编码技术，保证在多数信道情况下获得比较好的性能，同时在接收端进行相应的信号处理，就能够获得很大的性能增益，从而实现数据的高速传输。空时编码本质上是在时间和空间上的二维编码，它可以降低无线通信系统对多径衰落的敏感程度，在限定发射总功率的情况下可以提高信息传输的可靠性，在相同码率的前提下，又能大大提高无线通信系统的传输效率，其频谱有效性可以达到当前系统的几十倍。MIMO系统中的编码方法主要有：空时分组编码（Space-TimeBlockCoding，STBC）、空时格状编码（Space-TimeTrelisCoding,STTC）和分层空时编码(LayeredSpace-timeCoding,LSTC)。前两种方法重在提高传输可靠性，属于空时编码的范畴；后者重在提高频谱利用率，属于空时复用技术的范畴。2.3MIMO-OFDM系统图2.1MIMO-OFDM系统发送端的系统框图图2.1所示为MIMO-OFDM系统发送端的系统框图，从图中可以看出，输入的信息比特流经过一个串并变换器变成多路输入的数据流，以实现多天线的输出。对于每一路信号，都要经过信号映射，其中不仅包括了对输入数据流的星座映射，而且还涉及了具体的编码调制等。映射后的每一路信号变换成一定子载波数量的数据流作为接下来的IFFT的输入，而加入循环前缀的目的是为了在每个OFDM的符号间加上保护间隔，减小OFDM的符号间干扰。图2.2所示为MIMO-OFDM系统接收端的系统框图，从图中可以看出，接收到的每一路OFDM数据流首先要经过一个去除循环前缀的处理，把OFDM符号的有用部分提取出来用于FFT变换。每个FFT变换产生的第i路数据流中包含相同发射端的输入信息，因此要将这样的数据流经过相同的空间多路检测器，进行检测判决，最后数据流通过一个并串变换器送入到解调器。图2.2MIMO-OFDM系统接收端的系统框图上述的图2.1和图2.2给出完整的基于空间复用的MIMO-OFDM系统，这样的系统能够同时利用空间复用技术和OFDM技术的特点，有利于提高系统的容量和传输速率。通过多路数据流在发送天线的同时发射，可以实现在相同带宽情况下的多路空间并行信道，不仅发挥了OFDM技术和空间复用技术的优势，同时有效地利用了空间的并行性和频率选择性。在接收判决的一方，需要采用将接收信号转化成若干个子信号分别进行OFDM子载波处理的方式。3MIMO-OFDM系统中的空时编码技术3.1空时编码（STC）技术（1）空时分组编码（STBC）空时分组编码技术是将发送分集与正交编码相结合，具有相对简单的编译码算法和较好的性能，而且容易实现，受到了广泛关注。STBC实质上是将同一信息经过正交编码后从两根天线上发送出去，两路信号由于具有正交性，在接收端可以将两路独立的信号区别出来，然后只需要做简单的线性合并就可以获得分集增益。（2）空时格状编码（STTC）空时格状编码是在空时延迟分集和格状码的基础上提出的，主要是将发送分集与格状编码调制相结合，空时延迟分集可以看作是空时格状码的一个特例。图3.1延时发送分集图3.1所示为早期采用的延时发送分集的模型框图，图中编码后的数据首先被重复一次，然后通过一个串并变换器，分成两个完全相同的数据流。其中一路数据流经过调制后直接从一个天线发送出去;另一路数据流经过一个符号的延时后，再经调制从另一个天线发送出丢。由于数据在两个天线上同时发送，不同的只是一路数据被延时了一个符号，所以尽管采用了延时编码，却不会存在频带效率的损失。在接收端，通过Viterbi译码进行解调。这种延时的分集就是空时编码的雏形。STTC就是由上述的延时发送分集来实现的，它具有卷积码的特性，将编码、调制、发射分集结合在一起，能够在不增加传送带宽和不改变信息速率的情况下，获得最大的编码增益和分集增益，并且使得系统的性能有很大提高。STTC是利用某种网格图，将同一信息通过多根天线发射出去，在接收端，采用基于欧氏距离的Viterbi译码器译码。由于译码复杂度将随着传输速率的增加呈指数级增加，所以在实际的应用中，需要在编码和分集之间取一折衷。（3）分层空时编码(LSTC)分层空时编码是基于空间复用的，它是最早的MIMO技术之一。其墓本思想是:首先将高速的信源数据串并转换为若干个低速数据流，独立地进行分层的空时编码、调制，然后再按照一定的规则送到多副天线上发送，由于在不同发送天线上传输的符号之间投有直接的变换关系，因而它不是荃于发送分集的。在分层空时编码模型的接收端，需要用多个天线分集接收，信道参数通过信道估计获得，结合线性判决反馈均衡器实现分层的反馈干扰抵消，然后进行分层空时译码，再由单个信道译码器完成信道译码。图3.2和图3.3分别为分层空时编码的发送和接收模型框图。图3.2分层时空编码发送模型框图图3.3分层时空编码接收模型框图基于空间复用考虑的分层空时编码系统比较适合于室内环境，不太适合于室外移动环境，而且要求接收天线数目必须大于或等于发送天线数目，接收天线较多时利于提高检测的性能(检侧时需要信道知识)。分层空时编码的优点是当接收天线数大于发送天线数时，其系统容量与发送天线数成正比例增长。综上所述，空时编码技术的形成条件之一，就是对信号进行多天线发送和多天线接收。从广义的角度来看，在发送和接收两端就形成了MiMO信道，因此可以将空时编码技术和OFDM的结合看成是MIMO-OF3jM系统的特例。3.2STC-OFDM系统由于信号在实际的无线信道中传播时，存在多径效应，发送信号的时域波形会被展宽，在频域表现为频率选择性衰落，这会使传输信号之间发生符号间干扰(ISI),将极大地影响无线通信系统的性能.一般可以采用下面的方法来消除MIMO宽带传输系统中的ISI:一是在接收机中利用均衡器对接收到的信号进行预先处理使得信号能够得到较正确的恢复;二是采用正交频分复用技术。由于多天线系统的信道参数比较多，均衡器运算量会很大，而OFDM技术可以有效地将频率选择性信道变换为平坦衰落信道，因此结合了OFDM技术，就可以利用多天线系统在窄带信道中的传输方法来解决系统中的ISI问题。图3.4STC-OFDM系统发送端的结构框图图3.4所示为STC-OFDM系统发送端的结构框图。通常情况下STC-OFDM是将输入的信息流经过串并转换，对得到的k路数据(k，子载波个数)分别进行空时编码的调制，每一路数据的编码结果都是N路输出信号〔N，发射天线的个数)，这样就能得到k组包含N路信号的输出结果。然后，对这样的结果进行重新排列，就能得到每一组OFDM的输入信号。经过IFFT变换以后，从相应的天线上发送传输。也就是说，要在OFDM系统中使用空时码，就要在每一个子载波上进行空时编码，然后再进行IFFT调制。相应地，在接收端先进行FFT解调，再对每个子载波上的数据流进行空时解码。STC-OFD