MIMOOFDM关键技术专业资料.doc

MIMO-OFDM技术

MIMO-OFDM技术
1 MIMO技术
无线通信不可靠性重要是由无线衰落信道时变和多径特性引起，如何有效地对抗无线信道衰落是高速移动通信必要要解决问题。在无线通信系统中提高信息传播可靠性一种有效手段是采用分集技术，以多输入多输出（MIMO）技术为代表空间分集技术是当前优选方案之一。
MIMO意思是Multiple Input Multiple Output，其原理为MIMO系统在发射端和接受端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。任何一种无线通信系统，只要其发射端和接受端均采用了各种天线或者天线阵列，就构成了一种无线MIMO系统。MIMO技术是当代通信一大突破，该技术提供理解决将来无线网络传播瓶颈办法。MIMO技术核心思想是信号空间-时间联合解决，即把数字信号固有时间维度与各种空间分离天线带来空间维度联合起来。在某种意义
上，MIMO技术也可以看作是老式智能天线技术扩展。
1.1 概述
联合考虑发送分集和接受分集就构成了多输入多输出（MIMO，Multi-Input Multi-Output）系统，该系统可以获得更大分集增益。MIMO系统重要特性是可以运用无线通信多径传播特性来提高系统性能，即可以有效地运用无线链路中随机衰落和延迟扩展特性来成倍地提高传播速率或可靠性。
1.2 分集技术
为了保证无线通信可靠传播，重要用于补偿信道衰落损耗分集技术是其中一种十分有效办法。分集技术，是指在通信过程中，系统要可以提供发送信号副本，使得接受机可以获得更加精确判断。依照获得独立途径信号办法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限制，可以获得更好系统性能，可以分为接受分集和发射分集。老式空间分集重要是接受分集，在这种接受方式中接受机对它收到各种衰落特性互相独立但携带同一信息信号进行特定解决，以减少信号电平起伏，这样显然会导致接受机复杂度增长。而发射分集只需要在基站端增长天线，实现起来相对简朴，因而得到了广泛关注。所有发射分集技术本质上都具备一种共同点，那就是要使各个发射天线到达接受机端信号互相独立，并且无论采用什么办法，接受机都必要可以区别出来自不同天线信号，然后将它们合并在一起，从而获得分集增益。
1.3 MIMO系统

图1.1 MIMO系统示意图
MIMO系统保存了老式智能天线长处，图1.1所示为多天线MIMO系统示意图，二进制数据流通过信道编码、调制映射后通过发送天线发送出去，不同映射办法将产生不同数量符号流，然后不同符号流传送到不同天线上进行发送。映射可以是天线元素线性空间加权，也可以是线性空时编码。然后通过上变频、成形滤波器和功率放大后，符号被发送到空间无线链路中。在接受端，运用各种天线接受发送信号，然后通过解调、逆映射后恢复出原始信息。详细编码办法和映射算法依照不同应用目可以自由选取。
　　综上，MIMO系统中各种天线上信号在更大空间上被优化解决了，因此可以提供额外自由度。这就是说，除了不同天线元组之上信号相干合并带来阵列增益外，MIMO系统还可以提供发送和接受分集增益。此外，MIMO系统中数据是在矩阵形式信道而不是矢量形式信道中传播，因而除了上述分集和阵列增益外，MIMO还会带来系统容量增长。
MIMO系统中各种信道之间独立性取决于系统中多径富有限度（MIMO信道空间选取性），因而MIMO系统能有效运用系统多径特性。普通，用MIMO信道矩阵秩来表达系统中独立信道个数，显然信道矩阵秩比发射天线和接受天线个数都要小。通过线性代数分析可知，安全通过MIMO系统发送信息符号最大值为矩阵秩。就工程意义而言，无线链路频谱效率是由发送信息流数据和误比特率（BER）共同决定，实际系统中通过对各种天线上比特流进行空时编码解决，可以大大减少误比特率。
2 MIMO-OFDM技术
2.1　MIMO-OFDM基本思想
　　众所周知，在将来宽带无线通信系统中，存在两个严峻挑战，即多径衰落信道和带宽效率。OFDM通过将频率选取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影响；而MIMO技术可以在空间中产生独立并行信道同步传播多路数据流，这样就有效地增长了系统容童，即由MIMO提供空间复用技术可以在不增长系统带宽状况下增长频谱运用率。如果将OFDM和MIMO两种技术相结合，就可以达到两种效果：一是通过复用系统具备很高系统容童和频谱运用率，二是通过度集系统具备很高系统可靠性。同步，在多输入多输出正交频分复用（MIMO-OFDM）系统中加入适当数字信号解决算法，即空时编码，还可以更好地增强系统整体稳定性。
2.2空时编码技术
从信息论角度看，多天线MIMO系统在信道容量上比单天线系统有明显提高，这些增长信道容量可以用来提高信息传播速率，也可以在保持信息传播速率不变状况下通过增长信息冗余来提高通信系统可靠性，普通可以在两者之间取一合理折衷。
空时编码（Space-Time-Code）技术是在1998年由Vahid Tarokh等人提出一项基于发射分集技术，其重要思想是：在发射端，采用适合多天线传播编码技术，保证在多数信道状况下获得比较好性能，同步在接受端进行相应信号解决，就可以获得很大性能增益，从而实现数据高速传播。
　　空时编码本质上是在时间和空间上二维编码，它可以减少无线通信系统对多径衰落敏感限度，在限定发射总功率状况下可以提高信息传播可靠性，在相似码率前提下，又能大大提高无线通信系统传播效率，其频谱有效性可以达到当前系统几十倍。
MIMO系统中编码办法重要有：空时分组编码（Space-Time Block Coding，STBC）、空时格状编码（Space-Time Trel is Coding,STTC）和分层空时编码(Layered Space-time Coding,LSTC)。前两种办法重在提高传播可靠性，属于空时编码范畴；后者重在提高频谱运用率，属于空时复用技术范畴。
2.3 MIMO-OFDM 系统

图2.1 MIMO-OFDM系统发送端系统框图
　　图2.1所示为MIMO-OFDM系统发送端系统框图，从图中可以看出，输入信息比特流通过一种串并变换器变成多路输入数据流，以实现多天线输出。对于每一路信号，都要通过信号映射，其中不但涉及了对输入数据流星座映射，并且还涉及了详细编码调制等。映射后每一路信号变换成一定子载波数量数据流作为接下来 IFFT输入，而加入循环前缀目是为了在每个OFDM符号间加上保护间隔，减小OFDM符号间干扰。
图2.2所示为MIMO-OFDM系统接受端系统框图，从图中可以看出，接受到每一路OFDM数据流一方面要通过一种去除循环前缀解决，把OFDM符号有用某些提取出来用于FFT变换。每个FFT变换产生第i路数据流中包括相似发射端输入信息，因而要将这样数据流通过相似空间多路检测器，进行检测判决，最后数据流通过一种并串变换器送入到解调器。

图2.2 MIMO-OFDM系统接受端系统框图
　　上述图2.1和图2.2给出完整基于空间复用MIMO-OFDM系统，这样系统可以同步运用空间复用技术和OFDM技术特点，有助于提高系统容量和传播速率。通过多路数据流在发送天线同步发射，可以实当前相似带宽状况下多路空间并行信道，不但发挥了OFDM技术和空间复用技术优势，同步有效地运用了空间并行性和频率选取性。在接受判决一方，需要采用将接受信号转化成若干个子信号分别进行OFDM子载波解决方式。
3 MIMO-OFDM系统中空时编码技术
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，具备相对简朴编译
码算法和较好性能，并且容易实现，受到了广泛关注。
STBC实质上是将同一信息通过正交编码后从两根天线上发送出去，两路信号由于具备正交性，在接受端可以将两路独立信号区别出来，然后只需要做简朴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基本上提出，重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一种特例。

图3.1 延时发送分集
图3.1所示为初期采用延时发送分集模型框图，图中编码后数据一方面被重复一次，然后通过一种串并变换器，提成两个完全相似数据流。其中一路数据流通过调制后直接从一种天线发送出去;另一路数据流通过一种符号延时后，再经调制从另一种天线发送出丢。由于数据在两个天线上同步发送，不同只是一路数据被延时了一种符号，因此尽管采用了延时编码，却不会存在频带效率损失。在接受端，通过Viterbi译码进行解调。这种延时分集就是空时编码雏形。
STTC就是由上述延时发送分集来实现，它具备卷积码特性，将编码、调制、发射分集结合在一起，可以在不增长传送带宽和不变化信息速率状况下，获得最大编码增益和分集增益，并且使得系统性能有很大提高。STTC是运用某种网格图，将同一信息通过多根天线发射出去，在接受端，采用基于欧氏距离Viterbi译码器译码。由于译码复杂度将随着传播速率增长呈指数级增长，因此在实际应用中，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，它是最早MIMO技术之一。其墓本思想是:一方面将高速信源数据串并转换为若干个低速数据流，独立地进行分层空时编码、调制，然后再按照一定规则送到多副天线上发送，由于在不同发送天线上传播符号之间投有直接变换关系，因而它不是荃于发送分集。
在分层空时编码模型接受端，需要用各种天线分集接受，信道参数通过信道预计获得，结合线性判决反馈均衡器实现分层反馈干扰抵消，然后进行分层空时译码，再由单个信道译码器完毕信道译码。图3.2和图3.3分别为分层空时编码发送和接受模型框图。

图3.2 分层时空编码发送模型框图

图3.3 分层时空编码接受模型框图
基于空间复用考虑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，并且规定接受天线数目必要不不大于或等于发送天线数目，接受天线较多时利于提高检测性能(检侧时需要信道知识)。分层空时编码长处是当接受天线数不不大于发送天线数时，其系统容量与发送天线数成正比例增长。
综上所述，空时编码技术形成条件之一，就是对信号进行多天线发送和多天线接受。从广义角度来看，在发送和接受两端就形成了MiMO信道，因而可以将空时编码技术和OFDM结合当作是MIMO-OF3jM系统特例。
3.2 STC-OFDM系统
由于信号在实际无线信道中传播时，存在多径效应，发送信号时域波形会被展宽，在频域体现为频率选取性衰落，这会使传播信号之间发生符号间干扰(ISI),将极大地影响无线通信系统性能.普通可以采用下面办法来消除MIMO宽带传播系统中ISI:一是在接受机中运用均衡器对接受到信号进行预先解决使得信号可以得到较对的恢复;二是采用正交频分复用技术。由于多天线系统信道参数比较多，均衡器运算量会很大，而OFDM技术可以有效地将频率选取性信道变换为平坦衰落信道，因而结合了OFDM技术，就可以运用多天线系统在窄带信道中传播办法来解决系统中ISI问题。

图3.4 STC-OFDM系统发送端构造框图
图3.4所示为STC-OFDM系统发送端构造框图。普通状况下STC-OFDM是将输入信息流通过串并转换，对得到k路数据(k，子载波个数)分别进行空时编码调制，每一路数据编码成果都是N路输出信号〔N，发射天线个数)，这样就能得到k组包括N路信号输出成果。然后，对这样成果进行重新排列，就能得到每一组OFDM输入信号。通过IFFT变换后来，从相应天线上发送传播。也就是说，要在OFDM系统中使用空时码，就要在每一种子载波上进行空时编码，然后再进行IFFT调制。相应地，在接受端先进行FFT解调，再对每个子载波上数据流进行空时解码。
STC-OFDM系统可以得到最大分集增益为发送天线数、接受天线数以及可分离多径数目乘积，它可以最大限度地运用系统分集资源。
（2) STBC-OFDM系统
空时分组编码技术具备相对简朴编译码算法和较好性能，适合于既有系统。图3.5为详细STBC-OFDM系统框图，系统中假设发送端不懂得信道传播特性，在接受端可以进行精确地预计，在一种编码STBC-OFDM符号内信道保持相对稳定，而在不同编码STDC-OFDM符号之间可以发生变化。同步还假设不同发送、接受天线对之间距离足够远，即它们之间满足互相独立条件。由于OFDM正交性调制，不同子载波信号之间互相正交，因此接受端可以将各子载波信号进行分离，然后再对各子载波进行独立译码。

图3.5 STBC-OFDM系统框图
STBC-OFDM系统和STC-OFDM系统区别在于，系统中每一种子载波系统都可以等效为若千独立输出支路并且各输出支路可以进行独立译码.在得到各子载波上各等效支路输出信噪比后，可进一步进行性能预计。由于各独立输出支路具备完全相似接受信噪比，因此各独立输出支路误符号差错性能即为各子载波差错性能，也就是整个STBC-OFDM系统差错性能。在频率选取性瑞利衰落条件下，STBC-OFDM系统可以获得最大分集增益为发送天线数、接受天线数以及可分离多条途径数目乘积，它最大限度地运用了系统中所有可用分集资源，而系统复杂度要低于STC-OFDM系统。
综上所述，OFDM系统克服了频率选取性衰落，为MIMO技术应用提供了一种较好平台，MIMO技术又可觉得OFDM系统提供明显分集增益或者系统容量增长，因而两者结合可以带来极大性能增益。但由于各支路独立编码、解码，增长了天线数目，这自然会增长系统复杂度和设备成本。因而，在进行实际系统设计时，应当在性能增益、实用性等方面权衡利弊。
此外，为了进一步改进空时解决技术性能，还可以在如下两个方面做进一步研究:一是侧重空时技术性能分析和设计;二是侧重空时技术应用，如将空时编码和老式信道编码相结合、将空时编码与多顾客检测技术相结合、将空时编码和天线选取相结合等。这些改进技术使用，都会在一定限度上提高空时解决技术有效性和可靠性，从而更好地满足实际系统详细豁求。