MIMO无线移动通信系统关键技术研究

MIMO-OFDM技术

MIMO-OFDM技术

1 MIMO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Multiple Input Multiple Output，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。

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-Input

Multi-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。

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。

MIMO-OFDM系统原理及其关键技术

未来的宽带无线通信系统，将在高稳定性和高数据传输速率的前提下，满足从语音到多媒体的多种综合业务需求。而要在有限的频谱资源上实现综合业务内容的快速传输，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（正交频分复用）技术是多载波窄带传输的一种，其子载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源。二者的有效结合可以克服多径效应和频率选择性衰落带来的不良影响，实现信号传输的高度可靠性，还可以增加系统容量，提高频谱利用率，是第四代移动通信的热点技术。

OFDM技术原理及实现

无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成多个正交子信道，然后将高速数据信号转换成多个并行的低速子数据流，调制到每个信道的子载波上进行窄带传输。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰落，从而可以消除信道波形间的干扰。由于OFDM是一种多载波调制技术，OFDM系统采用正交方法来区分不同子载波，子载波间的频谱可以相互重叠，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又极大地提高了频谱利用率。如图1可见OFDM的正交性。

图1 OFDM信号频谱

由于OFDM系统中有大量载波，所以在实际应用中不可能像传统的处理方法一样，使用几十个甚至几百个振荡器和锁相环进行相干解调。因此，Weinstein提出了一种用离散傅里叶变换实现OFDM的方法。

设OFDM信号发射周期为［0，T］,在一个周期内传输的N个符号为(D0，D1，…，DN-1)。第k个符号Dk调制第k个载波fk，所以合成的OFDM信号为:

由式⑤可见，以fs对C(t)采样所得的N个样值(C0，C1，…，CN-1)刚好为(D0，D1，…，DN-1)的N点反向离散傅里叶变换(IDFT)。因此OFDM系统可以这样实现：在发射端，先由(D0，D1，…，DN-1)的IDFT求得(C0，C1，…，CN-1)，再经过低通滤波器即得所需的OFDM信号C(t);在接收端，先对C(t)采样得到(C0，C1，…，CN-1)，再对(C0，C1，…，CN-1)求DFT，即得(D0，D1，…，DN-1)。

２００７．２电信工程技术与标准化　

Ｍ　Ｉ　ＭＯ－ＭＣ－ＣＤＭＡ系统及其关键技术　

孙思　

（南京邮电大学　南京２１　０００３）　

摘要本文介绍了下一代移动通信系统中关键技术——正交频分复用（ＯＦＤＭ），它具有良好的抗多径干扰性能　和高频谱利用率。然后给出多载波调制和ＣＤＭＡ结合的ＭＣ－ＣＤＭＡ系统，此系统可以支持高数据传输率　和高用户容量。接着简述了可以充分利用空间资源，提高无线信道容量和信道可靠性的ＭＩＭＯ技术，并给　出结合ＭＩＭ０和ＭＣ－ＣＤＭＡ即ＭＩＭ０一Ｍｃ—ｃＤＭＡ系统模型，最后简要介绍了此系统中所涉及的同步　及信道估计技术。　关键词　ＯＦＤＭ　ＭＩＭＯ－ＭＣ－ＣＤＭＡ同步信道估计　

正交频分复用（ＯＦＤＭ）技术网络结构高度可扩　

展，具有良好的抗噪声性能和抗干扰能力以及频谱利用　

率高，而被普遍认为是下一代移动通信系统必不可少的　

技术。ＯＦＤＭ结合ＣＤＭＡ的ＭＣ—ＣＤＭＡ系统，还可　

以提高用户容量。　

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，这样就有效的提高了系统的传输速　

率，即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。文章　

给出了采用空时编码的ＭＩＭＯ－ＭＣ－ＣＤＭＡ系统的模　

型。　

１　ＯＦＤＭ技术发展　

ＯＦＤＭ技术首先是Ｒｏｂｅｒｔ　Ｗ．Ｃｈａｎｇ在他的关于　

多信道传输的带宽受限信号的合成的论文中提出的。在　

论文中，Ｃｈａｎｇ提出了一种通过线性带宽受限信道中无　

信道间干扰（ＩＣＩ）和符号间干扰（ＩＳＩ）的，可同时传　

输信息的方式。将可得到的谱划分为几个信道，每个信　

道在进一步划分为多个子信道。这就可实现并行数据传　

输，每个子信道以足够低的数据速率进行传输，这样可　

抵消信道中引入的频率选择性衰落。同时子信道的谱之　间是重叠的和正交的，可实现高效的谱利用。正是由于　

满足这种正交性，就不需要在临近的信道间加入保护带　

宽，而这在传统的频分复用方案中是必须加入的。　

后来Ｗｅｉｎｓｔｅｉｎ和Ｅｂｅｒｔ提出使用离散傅立叶变换　

MIMO天线3种技术及应用场景分析

0 前言

多入多出（MIMO）系统指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统。研究证明，MIMO技术非常适用于城市内复杂无线信号传播环境下的无线宽带宽带通信系统，在室内传播环境下的频谱效率可以达到20～40 bit/s/Hz；而使用传统无线通信无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1～5 bit/s/Hz，在点到点的固定微波系统中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射频信号多径会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，被认为是新一代无线通信技术的革命。

1 MIMO系统的3种主要技术

当前，MIMO技术主要利用发射分集的空时编码、空间复用和波束成型等3种多天线技术来提升无线传输速率及品质。

1.1 发射分集的空时编码

基于发射分集技术的空时编码主要有2种，即空时分组码（STBC）和空时格码（STTC）。虽然空时编码方案不能直接提高数据率，但是通过这些并行空间信道独立、不相关地传输信息，从而使信号在接收端获得分集增益，为数据实现高阶调制创造条件。

1.1.1 空时分组码（STBC）

STBC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，它通过在发射端增加信号的冗余度，使信号在接收端获得分集增益，空时分组码是将同一信息经过正交编码后从多根天线发射出去。MIMO系统的原理，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个信息子流由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分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是这N个子流同时发射信号，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通道响应独立不相关，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。