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什么是MIMO OFDM技术？
摘要
第四代移动通信提供了高数据传输速率，而MIMO和OFDM提高了频谱效率，从而提供了具有高传输速率和系统容量的技术。两者的结合已经成为第四代移动通信技术研究的热点。通过这两种技术的优势互补，可以为系统提供高传输速率，同时提高系统容量，降低成本。详细介绍这两种技术和信道估计。
图一。采用MIMO-OFDM技术的新标准。
一.导言
第四代移动通信目前还没有确切的定义，但一致的解释是：“第四代移动通信的概念可以称为宽带接入和分配网络，非对称数据传输能力超过2 Mbit/s.它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作广播网络和卫星系统。此外，第四代移动通信系统将是多功能的综合宽带移动通信系统，可以提供高达100Mbit/s甚至更高的数据传输速率，同时也是宽带接入IP系统。”简单来说，4G就是一个超高速的无线网络，一条没有线缆的信息高速公路。这样，要在有限的频谱资源上实现高速大容量，就需要频谱效率极高的技术。MIMO技术充分利用空间资源，利用多根天线实现多发射多接收，可以在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，使信道容量翻倍。OFDM技术是一种多载波传输，其多载波相互正交，可以高效利用频谱资源。此外，OFDM通过将总带宽分成几个窄带子载波，可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此，充分发挥这两种技术的潜力，将它们结合起来，可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案。下面详细介绍这两种技术及其组合方案。
第二，MIMO技术
MIMO(多输入多输出)系统如图1所示。这项技术由马可尼在1908年首次提出，它使用多个天线来抑制信道衰落。MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多个发射天线和接收天线。其出发点是将多个发射天线和多个接收天线结合起来，提高每个用户的通信质量(如误码率)或通信效率(如数据速率)。MIMO技术本质上为系统提供了空间复用增益和空间分集增益。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集可以提高信道可靠性，降低信道误码率。通常，多径会引起衰落，因此被视为有害因素。然而，对于MIMO，多径可以用作有利因素。MIMO技术的关键是将传统通信系统中存在的多径衰落因素转化为对用户通信性能有利的增强因素。MIMO技术有效利用随机衰落和可能的多径传播，使业务传输速率提高一倍，因此可以在不增加占用信号带宽的情况下，将无线通信的性能提高几个数量级。假设发射端有N个发射天线和m个接收天线，在发射天线和接收天线之间形成MN信道矩阵H。在某个时间t，信道矩阵是：
发射功率平均分配到每个发射天线，因此容量公式为：
此时，可以获得容量的近似表达式：
从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增加而线性增加。也就是说，利用MIMO信道可以指数级提高无线信道的容量，在不增加带宽和天线发射功率的情况下，可以指数级提高频谱利用率。使用MIMO技术可以使信道的容量增加一倍，提高信道的可靠性，降低误码率。前者是MIMO信道提供的空间复用增益，后者是MIMO c提供的空间分集增益
根据频域多径信道的频率选择性衰落特性，提出了正交频分复用调制技术。2、正交频分复用的基本原理是将高速数据流通过串并变换分配到几个传输速率相对较低的子信道上进行传输，在频域上将信道分成几个相互正交的子信道，每个子信道都有自己的载波进行调制，信号通过每个子信道独立传输。如果每个子信道的带宽足够窄，则每个子信道的频率特性可以近似视为平坦的，即每个子信道都可以视为没有符号间干扰(ISI)的理想信道，这样就可以在接收端可靠地解调接收信号，而不需要使用复杂的信道均衡技术。在OFDM系统中，在OFDM符号之间插入保护间隔，以确保频域子信道之间的正交性，并消除OFDM符号之间的干扰。
但是需要注意的是，在发射端实际传输的OFDM时域序列的长度是nd Nc，其中Nd是一个OFDM符号可以传输的频域符号的个数，前面加上长度Nc的序列称为CyclicPrefix或GuardInterval。利用这一点，前一个OFDM符号对当前OFDM符号的干扰只影响循环前缀部分，而不影响当前OFDM符号，这有效地消除了OFDM符号之间的干扰(ISI)。循环前缀的引入会降低系统的传输效率，但保证OFDM子载波间的正交性，消除OFDM符号间的干扰是必须付出的代价。OFDM技术之所以越来越受到关注，是因为OFDM有很多独特的优势：
(1)频谱利用率很高，是串行系统的近两倍。这在频谱资源有限的无线环境中非常重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，理论上其频谱利用率可以接近奈奎斯特极限。
(2)抗多径干扰和频率选择性衰落能力强。因为OFDM系统将数据分散在许多子载波上，所以每个子载波的符号率大大降低，从而减弱了多径传播的影响。如果使用循环前缀作为保护间隔，符号间干扰甚至可以完全消除。
(3)采用动态子载波分配技术可以使系统达到最大比特率。通过选择子信道、每个符号的比特数和分配给子信道的功率，总比特率被最大化。也就是说，各子信道的信息分配要遵循信息论中的“注水定理”，即高质量信道多传输，差信道少传输，差信道不传输的原则。
(4)通过每个子载波的联合编码，可以具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身利用了信道的频率分集。如果衰落不是特别严重，就不需要添加时域均衡器。然而，可以通过联合编码每个信道来提高系统性能。
(5)存在基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM快速算法。OFDM采用IFFT和FFT实现调制和解调，易于用DSP实现。
图2 OFDM系统框图
第四，MIMO和OFDM的结合
MIMO系统可以在一定程度上利用传播中的多径分量，这意味着MIMO可以抵抗多径衰落，但对于频率选择性深衰落仍然无能为力。目前解决MIMO系统频率选择性衰落的方案一般采用均衡技术，另一种是OFDM。大多数研究者认为，OFDM技术是4G的核心技术，4G需要一种频谱利用率高的技术，但OFDM在提高频谱利用率方面的作用毕竟有限。合理开发基于OFDM的空间资源，即MIMO-OFDM，可以提供更高的数据传输速率。此外，ODFM由于码率和时间保护间隔较低，具有较强的抗多径干扰能力。因为多径延迟小于保护间隔，所以系统不受符号间干扰的干扰，这允许单频网络(SFN)用于宽带OFDM系统，该系统由多个天线实现，即由大量低功率发射组成的发射机阵列
在这种方案中，数据从串行转换为并行两次。首先将数据分成N个并行数据流，第N(N[1，N])个数据流第二次串并转换成L个并行数据流，分别对应L个子载波，L个并行数据流进行IFFT变换，信号从频域转换到时域，然后从第N(N[1]个开始，这样总共传输NL个M-QAM符号。假设整个MIMO系统具有n个发射天线和m个接收天线。接收端m(m[1，M])天线接收的第一个子载波的接收信号为：
其中Hm，n，l为第n个发射天线到第m个接收天线在第l个子载波频率上的信道矩阵，假设接收端已知该信道矩阵，Cn，l为第n个发射天线在第l个子载波频率上发射的符号，m，l为第m个接收天线在第l个子载波频率上接收的高斯白噪声。这样，接收机接收到的第L个子载波频率上的N个符号就可以用V-BLAST算法解码，重复L次就可以恢复NL个M-QAM符号。
4.1MIMO-OFDM信道估计
在具有传输分集的OFDM系统中，只有当接收端具有良好的信道信息时，空时码才能被有效解码。估计信道参数的困难在于，每个子载波对应于每个天线的多个信道参数。幸运的是，对于不同的子载波，同一空间信道的参数是相关的。根据这种相关性，可以得到参数的估计方法。MIMO-OFDM系统一般有三种方法信道估计：非盲信道估计，盲信道估计，半盲信道估计。下面简单介绍这三种方法信道估计。
4.1.1非盲信道估计
非盲信道估计是在发射端发送导频信号或训练序列，接收端根据接收到的信号估计导频或训练序列处的信道参数，然后根据导频或训练序列处的信道参数获得数据信号处的信道参数。当信道是时变信道时，即使是慢时变信道，也必须周期性地发送训练序列，以便及时更新信道估计。这种方法的优点是估计误差小，收敛速度快，缺点是因为发送导频或训练序列而浪费了一些系统资源。
盲人信道估计
盲信道估计是在不知道导频或训练序列的情况下，利用信道的输出和与输入相关的统计信息来估计信道参数。其优点是传输效率高，缺点是鲁棒性相对较差，收敛速度慢，计算量大。
4.1.3半盲法信道估计
半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来的。它使用尽可能少的导频信号或训练序列来确定blind信道估计算法所需的初始值，然后使用blind信道估计算法进行跟踪优化，获得信道参数。由于盲信道算法的高计算复杂度，仍然存在很多问题，难以实用化。半盲信道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上折中，从而降低计算复杂度。可以预见，盲和半盲信道估计的研究将成为MIMO-OFDM信道估计的研究重点。
动词（verb的缩写）结论
未来的宽带无线通信系统面临两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM将频率选择性多径衰落信道转化为频域平坦信道，降低了多径衰落的影响，而MIMO技术可以在空间产生独立的并行信道，同时传输多个数据流，从而有效提高系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。这样，OFDM和MIMO的结合可以达到两个效果：一是实现高传输速率，二是通过分集实现强可靠性，同时在MIMO-OFDM中加入合适的数字信号处理算法可以更好地增强系统的稳定性。MIMO-FDM技术是OFDM和MIMO技术相结合而形成的新技术。通过在OFDM传输系统中使用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，充分利用了时间、频率和空间三种分集技术，大大增加了无线系统对噪声、干扰和多径的容忍度。因此，基于OFDM的MIMO系统具有接近极限的系统容量和良好的抗衰落特性。可以预见，它将是下一代网络采用的核心技术。
今天本文讲解到此结束，希望对你有所帮助。