第二章MIMO系统和OFDM系统的基本原理和关键技术

第二章MIMO系统和OFDM系统的基本原理和关键技术2.1MIMO系统2.1.1MIMO系统的基本原理MIMO的基本思想就是用多根天线分集来阻止系统信道的衰落，在接收和发送两端分别设置多根天线并将它们结合，如果每个发送天线和接收天线的冲激响应独立，这样就构成了很多的并行空间信道，来大大提高系统的信道容量，改善系统的可靠性，降低系统的误码率[[32]。在发射端发射的数据符号经过空时处理后被送到接收端，经各个发射天线进行发射，在接收端利用空时检测器，对发射来的数据符号进行检测恢复，为了能够保证有效的分离发射来的数据符号，每个天线之间必须保持着足够大的数据流，防止接收数据比特流过大的相关性。图2.1是一个MIMO系统的基本框图，从图2.1可以看出，MIMO技术在发射端和接收端都采用了像空间多元感应器一样的多元天线阵列，这样可以从散射了杂乱无章的空间无线信道中分别解调出标记有不同空间特性的空间分量，好像一个大路上，开辟出具体不同功能的互不干扰的通道，把这种解调技术获得的增益成为“空间分集增益”。图2.1结构系统框架图2.1.2空时分组编码技术1、基于发送分集的STBC空时编码对于空时分组码，核心的评价标准是提供发射分集、编码码元发射率以及发射时隙的多少。发射天线的分集度取决于空时编码矩阵的设计方案，如要完全分集，则至少应保证编码矩阵是满秩的。如果配置了多根接收天线，则总的分集度是发射天线数量与接收天线数量的乘积。码元发射率是每单位码元周期内的发射码元的个数。发射时隙是空时编码的长度也就是指码元周期。设计空时编码的最一般的目的是在保持全分集发射的情况下，使码元发射率(速率)最大并且使发射时最小。2、基于空间复用的BLAST空时编码分层空时码是由Bell实验室的G.J.Foschini等人提出的最早的一种空时编码方式。它的基本思想是：在发送端，将高速信源数据分为几个低速的子数据流，对各个子数据流进行普通的并行信道编码之后，进行分层空时编码，调制之后通过多个天线发送出去，从而达到分集发送的效果；在接收端，用多个天线分集接收，信道参数通过信道估计获得，进行分层空时译码。2.1.3MIMO系统的优缺点1、MIMO技术的优点：MIMO技术的应用中，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增加无线系统的覆盖范围。无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出（SISO）的系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。多天线系统的应用，使得多达min(Nt,Nr)的并行数据流可以同时传送。同时，在发送端或接收端采用多天线，可以显著克服信道的衰落，降低误码率。一般的，分集增益可以高达Nt*Nr。老接入点到了老客户段，只发送和接收一个空间流MIMO接入点到MIMO客户端，同时发送和接收多个空间流可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF（zero-forcing，迫零）算法、MMSE（minimummeansquareerror，最小均方差）算法、ML（maximumlikelihood，最大似然）算法。ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。2、MIMO技术的缺点：1、空间相关:空间特性是维系MIMO性能的关键，无论从有效性的并行子信道和可靠性的分集指数都和空间独立性相关，空间相关导致的低秩和低分集指数都极大影响着MIMO的信道容量和误码性能。2、空间干扰。这是空时复用最直接的影响，在没有空间分集可利用的系统中恢复各发射天线等功率的信号必定造成的判决性能的下降，因此接收端的干扰消除算法能够保证系统性能的关键。2.2OFDM技术2.2.1OFDM系统的基本原理OFDM的概念源自于频分复用和多载波通信技术。MC与FDM基本思想一致，采用多个载波信号，将要传输的数据馏分结成多个比特流，每个字数据具低得多的传输比特速率，并且用这些数据流去并行调制多个载波。多载波调制可通过多种技术途径实现，如OFDM、MTR、MC-CDMA、编码MCM等，其中OFDM技术就是在MC的基础上，使不同的子载波相互正交，这种正交性有利于克服FDM及通常MC中频谱效率低的不足，其实质就是把高速率的信源信息传输流通过串并变换，变换成低速率的N路并行数据流，然后用N个相互正交的载波进行调制，将N路调制后的信号相加得到发射信号。COFDM是结合了信道编码的正交频分复用，它通过减少和消除ISI影响的方法来克服信道的频率选择性衰落。OFDM系统中调制的数据可表示为：tjmnmnmneXtS,2,,OFDM的基本原理图2.2.1图2.2.1OFDM的基本原理2.2.2OFDM的调制MIMO-OFDM系统能够将发送的数据比特流从时域分集变为空时频分集，将无线信道分割为空时频的正交子信道，所以，就可以很灵活的利用每一个子信道在实际应用中的传播情况分配比特流和发送功率，这样最大限度提高系统容量。由于信道是随时间变化和频率选择性等特点，还应该及时的对信道进行检测，更加有效利用系统的资源。自适应传输的根本思想就是根据传输信号在信道中传输的实际情况，改变各个无线子信道的信息速率、发射功率大小和编码方式等参数达到维持恒定误码率的效果。经历最严重哀落的那个子信道直接决定相同系统所有子信道的误码率的大小。特别是在频率选择性哀落的系统中，伴随着平均信噪比的增加信道误码率也随之下降，但是下降速度比较缓慢。通过对不同子信道选用不同的传输速率、发射功率、编码和调制等无线传输参数，使得不同信噪比的每个子信道能够得到适合自己最佳的一对对应方案。通俗一点，也就是不浪费比特误码率的条件下，把传播质量好的信道传输时提高数据的速度，质量不好的信道降低信号在信道中传输的速度等一些方式提供比较高的频谱利用率。OFDM自适应调制技术包括BPSK,QPSK,8PSK,16QAM,64QAM等等，每一个子载波主要是根据移动通信信道的条件来选用不同的调制技术，但是它的前提条件是要最佳的平衡频谱使用率和比特误码率。如果选用的调制方式能满足规定的比特误码率，同时也必须获得最大的频谱资源利用率。OFDM系统多径信道的多径效应可以致使接收信号功率下降达到30dB甚至更多，SNR(信噪比)也下降严重。在系统中利用与SNR相吻合的调制方法也可以很好的提高频谱的利用率，考核无线信道的重要指标是系统的可靠性，因此人们通常选用BPSK调制方式或者QPSK调制方式，这样就能保证最坏的SNR条件，但是这是以频谱利用率低为代价。自适应调制技术能够使系统容量翻倍，所以在无线信道很好的终端就可以使用自适应调制技术，调制可以从1bit/s/Hz转换4}6bit/s/Hz，也就是由BPSK转换成16QAM~64QAM，同时无线通信系统的频谱资源利用率也会得到很大程度的提高。用社会观的角度来说自然界的任何事物都有两面性，自适应调制技术当然也囊括其中，它要求信号必须要消耗一定比特信息来告诉接收端发射端采用哪种调制方式，接收端还需要比特信息定期的更新调制信息。OFDM调制技术利用功率控制和自适应调制协调技术将以上矛盾迎刃而解，信道好的时候将调制方式增强至64QAM，发射功率保持恒定，如果是在如QPSK低调制情况下时降低发射功率。功率控制要与自适应调制协调工作取得平衡，即如果在很远方有一个发射台，它的信道非常良好，加入发射功率保持恒定就可以采用像64QAM一样的较高调制方案;如果功率减少，调制方式可以降低使用QPSKo信号的失真和频率偏移也是在选用哪种调制方式时需要参考的因素。传输比特信息的非线性特性会造成互调信号的失真，这时输入信号就具有很高的噪声电平，信噪比此时不会太高。多径和多普勒效应造成的频率偏移会使信道的子载波失去正交性，即便是只有1%的频率信噪比就会下降30dB甚至更多，SNR限制了频谱的最大使用率只能在5}7bit/s/Hz中选择，自适应调制技术需要对信道的性能有很足够的了解，假如在很差的信道上利用了较强的调制方案，就可能出现很大的比特误码率，严重影响系统性能[[46]。在选择调制方式之前，可以用多用户OFDM系统的参考码字和导频信号先测试一个信道的好坏，在满足通信极限的条件下，发送一个己知的数据码字，测量出各个信道的信噪比，再根据信噪比的大小选择合适的调制方案。2.2.3OFDM系统的优缺点（1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎，例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约Flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大Wi-LAN工学院也开始使用这项技术。(2)OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信；(3)该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信；(4)OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。(5)OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。(6)可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。(7)通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。(8)OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。(9)可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法；(10)信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。（baud即波特；1Baud=log2M(bit/s)，其中M是信号的编码级数）。2.OFDM的缺点：虽然OFDM有上述优点，但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势：(1)对相位噪声和载波频偏十分敏感这是OFDM技术一个非常致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ICI，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ICI。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。(2)峰均比过大OFDM信号由多个子载波信号组成，这