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现代通信系统论文题目：OFDM-MIMO技术研究姓名：张斌学院：信息与电气工程学院专业：通信工程班级：01班学号：124303032指导教师：钟文2015年11月1日摘要随着现代科技的飞速发展，通信业也如火如荼的进行着改革。我们日常生活正大步的向网络化、信息化和高速化迈进。MIMO技术与OFDM技术相结合被视为下一代移动通信中有效对抗频率选择性衰落、提高数据传输数率、增大系统容量的关键技术。本文全面叙述了MIMO和OFDM技术及其特点，分析了MIMOOFDM技术在无线局域网中的应用，探讨了MIMOOFDM中的关键技术，并展望了其发展前景。关键字：MIMO；OFDM；空时编码；信道估计；4G目录引言一、MIMO-OFDM技术原理和特点............................................................................................21.OFDM技术...................................................................................................................................22.MIMO(多输入多输出)技术.........................................................................................................53.MIMO与OFDM结合的必要性和简介.....................................................................................74.MIMO+OFDM中的关键技术.....................................................................................................7二、结论.........................................................................................................................................10参考文献.........................................................................................................................................111引言新一代移动通信(Beyond3G/4G)将可以提供高达100Mb/s甚至更高数据传输速率，支持从语音到多媒体的业务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。新一代移动通信的另一个特点是低成本。这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，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技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源。将二者有效的结合起来已成为下一代移动通信技术的热点。2一.MIMO-OFDM技术原理和特点1.OFDM技术1.1OFDM技术原理多径散射是产生频率选择性衰落之源。面向频率选择性信道的信息传输技术的研究是宽带移动通信中最具有挑战性的工作之一。在第三代移动通信系统中，采用码分多址（CDMA）技术来处理多径问题，以获得多径分集增益。然而在该体制中，多径干扰和多用户干扰始终并存。虽然在理论上采用多用户检测（MUD）的办法能够完全分离各个用户的信号，分解多址干扰和多径干扰，但在用户数较多的情况下，实现多用户检测是非常困难的。OFDM是一种高频谱利用率的并行传输技术，其思想是使用多个并行的子载波传输数据，并使相邻子载波间隔等于一个子载波的带宽，子载波之间相互正交。在理想情况下，接收端可以利用子载波之间的正交性，互不干扰地对各子载波进行解调。由于频谱重叠，OFDM系统的频谱利用率提高幅度与一般的频分复用相比几乎达到一倍。OFDM传输技术与单载波系统相比最大的优势在于它适配于频率选择性衰落信道。在接收端，经过无线信道后的OFDM信号各子信道间保持了原有的正交性，信道干扰的影响简化为一个复传输常数与一个子信道所传输的信号相乘。因此，对信号进行均衡变得很简单，但在传统的相同带宽的单载波系统中实现这种均衡是非常困难的。信源出来的数据流经过前向纠错编码后进入调制单元。常用的纠错编码方式是：RS码＋符号交织＋卷积码＋比特交织。纠错编码后的数据流经过QPSK、QAM等方式的调制后，插入导频(主要进行信道估计或者用于同步)，经过串并转换，被分为N路子数据流，分别对应OFDM调制的N个子信道。然后进行IFFT变换，并串转换后添加循环前缀CP，经天线发射出去。接收端则进行相反的过程。1.2OFDM技术特点OFDM技术优点①OFDM将频率选择性信道划分为一组平衰落的子信道并行传输数据，从而有效地减小了信道时延扩展的影响，而且当循环前缀的长度大于信道最大时延扩展时，接收机中可以不采用均衡器。②OFDM的各子载波信道的频谱相互重叠，且每个子信道频域响应的峰值点恰为其它3子信道频域响应的零点，因而既保证了子载波的正交性，也充分利用了频谱资源。③可利用FFT/IFFT快速高效的实现调制解调。④可以根据信道特性自适应地进行各子载波上的功率分配以及选择不同的调制方式，充分利用条件好的子信道以提高系统性能。OFDM技术缺点①与单载波系统相比，OFDM对频率偏差更加敏感。无线信道的时变性造成的多普勒频移，或者发射机和接收机本地振荡器的频率偏差都会破坏子载波的正交性，从而导致ICI。②OFDM存在较高的峰值平均功率比，这是由于OFDM的输出信号由多个子信道上的信号叠加而成，当这些信号的相位一致时，输出信号的瞬时功率会远远大于平均功率。高峰均比对发射机内的线性放大器提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号幅度的变化，就会造成信号波形和频谱的畸变，因而破坏子载波的正交性。1.3OFDM仿真1.3.1仿真流程如下：图21.3.2仿真结果：4图3图45图5图62.MIMO（多输入多输出）技术多入多出(MIMO)技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。普遍认为，MIMO将是新一代6无线通信系统必须采用的关键技术。在室内，电磁环境较为复杂，多经效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道困难。多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIM0系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。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。MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。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个子流同时发送到信道，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，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。图7为N根发射天线N根接收天线的MIMO系统框图系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为公式（1）C=[min(M,N)]Blog2(ρ／2)其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min（M，N）为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，MIMO的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。因此，MIMO技术对于提高无线局域网的容量具有极大的潜力。MIMO信道容量C和SNR的关系仿真：7图83.MIMO与OFDM结合的必要性和简介从以上分析我们可以看出MIMO和OFDM在各自的应用领域有各自的优点，MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍是无能为力，现在一般采用均衡技术来解决MIMO系统中的频率选择性衰落。还有一种就是OFDM技术，OFDM被认为是下一代移动通信中的核心技术。4G需要高的频谱利用率的技术，但OFDM提高频谱利用率的能力毕竟有限。如果结合MIMO技术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。MIMO+OFDM技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性，如果把合适的数字信号处理技术应用到MIMO+OFDM系统中能更好的增强系统的稳定性。另外，OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力。多径时延小于保护间隔使系统不受码间干扰的影响。这样就可以使单频网络使用宽带OFDM系统依靠MIMO技术消除阴影效应。MIMO-OFDM技术是通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。可以看出，MIMO-OFDM系统有Nt个发送天线，Nr个接收天线，在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时衰落。输入的比特流经串并变换分为多个分支，每个分支都进行OFDM处理，即经过编码、交织、AM映射、插入导频信号、IDFT变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无线信道中；接收端进行与发射端相反的信号处理过程，例如：去除循环前缀、DFT变换、解码等等，同时进行信道估计、定时、同步、MIMO检测等技术，来完全恢复原来的比特流。4.MIMO+OFDM中的关键技术4.1MIMO-OFDM系统模型MIMO-OFDM系统模型如图9所示图9MIMO-OFDM发射端的简明方框图8(1)发射端：信源的比特流经前向纠错编码交织后映射到数字解调器的星座图上，再进入OFDM编码器进行编码。然后输出的符号流相互平行地传输，每一个符号流对应指定的发射天线，并且它们的发射过程是一样的。首先根据导频模型插入导频符号，然后频域内的符号流经FFT反变换成OFDM符号流。每个OFDM符号前加一个循环前缀以减弱信道延迟扩展的影响，每个时隙前加前缀用以定时，最后数据帧经IF/RF器件发射出去。如图10所示。图10MIMO-OFDM接收端的简明方框图(2)接收端：接收天线接收来自IF/RF的符号流首先进行同步，包括粗略的频率同步和前缀辅助定时。然后从接收到的符号流中提取出前缀码和循环前缀码，接下来通过FFT变换解调剩下的OFDM符号。在频域内，从解调后的OFDM符号中提取频率导频。然后通过精细的频率同步和定时，准确的提取出导频和数据符号。从所有接收天线中提取出的频率导频是用作信道估计的。这个受信道估计的矩阵辅助MIMO解码器对OFDM符号的解码。最后，经解码后的符号流被发送到接收器。4.2同步对于MIMO-OFDM系统的同步问题涉及前导序列的设计，时间和频率同步，以及信号检测技术等方面。一般来说，在MIMOOFDM系统在下行和上行链路传播之间都存在同步时隙，