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龙源期刊网技术概述作者：王洪来源：《中国新通信》2013年第18期【摘要】采用MIMO技术的OFDM系统是现代移动通信的核心技术。本文首先介绍正交频分复用（OFDM）技术和多输入多输出（MIMO）系统的基本原理，简述MIMO-OFDM技术及其特点，并初步探讨MIMO-OFDM系统的关键技术。【关键词】正交频分复用多输入多输出载波编码一、引言正交频分复用（OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，高效地利用频谱资源，OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波，可以有效地抵抗频率选择性衰落。多输入多输出（MIMO，MultipleInputMultipleOutput）系统充分开发空间资源，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调制的MIMO系统，充分开发了这两种技术的潜力，将二者结合起来将成为新一代移动通信的核心技术。二、正交频分复用（OFDM）技术正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波传输方案，它可以看作是一种调制技术，也可以当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流具有低得多的比特数据流，再去调制成相应的子载波，各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠。在OFDM系统中，在各个频段上发送的并行数据信号合并成一个独立的复用数据流，这些数据由多个子载波组合而成，然后在OFDM系统中传输。这样增加了数据的吞吐量，提高了传输速度。传统的FDM系统中，两个信道之间存在较大的频率间隔作为保护带来防止干扰，这样就降低了系统的频谱利用率。因此，OFDM系统比传统FDM系统具有更高的带宽利用率，两者对比示意图见图1所示。OFDM通信系统基本模型如图2所示。输入的二元数字序列首先进行串/并转换和编码映射，然后经过快速傅里叶逆变换（IFFT）对编码后的星座点进行基带调制，再经并/串转换，D/A转换及低通滤波后经过上变频送到信道。接收端的处理过程与发送端相反，信道出来的信号先经过下变频，低通滤波（LPF），A/D转换及串/并转换后，再进行快速傅里叶变换（FFT），然后对所得数据进行均衡，以校正信道失真，最终进行译码判决和并/串转换，恢复出原始的二元数字序列。三、多输入多输出（MIMO）系统龙源期刊网在通信两端发送和接收信号称为单输入单输出系统（SISO），而在通信两端使用多个天线进行发送和接收信号称为多输入多输出系统（MIMO）。由于电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰的存在，使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道传输难。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。但对于MIMO系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用，因MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线和多通道，多输入和多输出针对多径无线信道而言的。MIMO系统的原理图如图3所示，其传输信息流S（k）经过空时编码形成N个信息子流CN（k）。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。多天线接收利用先进的空时编码处理就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时，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射和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，在不占用额外的带宽，也不消耗额外的发射功率的情况下，利用MIMO技术可以成倍地提高系统传输容量，大大提高了频谱利用率。四、OFDM调制的MIMO系统OFDM技术是一种特殊的多载波传输方案，其多载波之间相互正交，可以高效利用频谱资源，同时OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波，可以有效抵抗频率选择性衰落。与MIMO技术相结合的MIMO-OFDM系统既可以达到很高的传输效率，又可以通过分集达到很强的可靠性，从而成为现代移动通信系统核心技术的解决方案。在如图4所示的典型MIMO-OFDM系统模型中，发射端有N个发射天线的工作流程如下：输入的数据符号流经串/并电路分成N个子符号流，采用信道编码技术对每个符号流进行无失真压缩并加入冗余信息，调制器对编码后的数据进行空时调制；调制后的信号在IFFT电路中实现OFDM调制处理，完成将频域数据变换为时域数据的过程，然后输出的每个OFDM符号前加一个循环前缀以减弱信道延迟扩展产生的影响，每个时隙前加前缀用以定时，这些处理过的OFDM信号流相互平行地传输，每一个信号流对应一个指定的发射天线，并经数模转换及射频模块处理后发射出去。接收端进行与发射端相反的信号处理过程，首先通过接收端的M根接收天线接收信号，这些信号经过放大、变频、滤波等射频处理后，得到基带模拟接收信号；并分别通过模数转换将模拟信号转换为数字信号后进行同步，在去循环前缀后通过FFT解调剩下的OFDM符号；此时，时延数据变换成为频域数据，接下来在频域内，从解调后的OFDM符号中提取出频率导频，然后通过精细的频率同步和定时，准确地提取出导频和数据符号，实现数据还原。五、实现MIMO-OFDM的关键技术（1）MIMO-OFDM系统中的时频同步。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MI-MO-OFDM系统在下行和上行链路传播之间都存在同步时隙，用于实施相位和频率对齐。并且实施频率偏差估龙源期刊网计。时隙可按以下方式构成：在偶数序号的子载波上发送数据和练习符号，而在奇数序号的子载波上设置为零。这样经过IFFT变化后得到的时域信号就会被重复，有利于信号的检测。（2）MIMO-OFDM信道估计。在MIMO-OFDM系统中，发送端编码和接收端信号检测都需要真实准确的信道状态信息，信道状态信息的准确性将直接影响着MIMO-OFDM系统的整体性能。然而对于MIMO-OFDM系统，不同的信号同时从不同的天线发射出去，对于每一个天线、每一个子载波都会对应很多个信道参数，信道参数太多，对信道估计带来了较大的困难。但对于不同的子载波，同一空分信道的参数是相关的，我们可以利用这一相关特性得到参数的估计方法。MIMO-OFDM系统信道估计方法一般有三种：非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。（3）MIMO-OFDM系统中的空时编码技术。空时信号处理是随着MIMO技术而诞生的一个崭新的概念，与传统信号处理方式的不同之处在于其同时从时间和空间两方面研究信号的处理问题。空时信号处理包括发射端的信令方案和接收端的检测算法。从信令方案的角度看，MIMO可以大致分为空时编码（STC：SpaceTimeCoding）和空间复用（SM：SpatialMultiplexing）两种。（4）MIMO-OFDM系统中的纠错编码。纠错编码技术是改善数字信道通信可靠性的一种有效手段，低复杂度、高性能的编码方案明显可以大大提高系统的性能。在数字通信领域，比较常用的编码方法主要有卷积码、分组码、Turbo码和LDPC（低密度奇偶校验）码。而其中最受人们关注、理论最成熟的是Turbo码和LDPC码。Turbo码可获得比传统级连码更大的编码增益，被认为是大编码存储卷积码或传统级连码的替代方案。但是，对于使用Turbo的系统来说，其解码的复杂度远高于编码的复杂度，无线通信系统要求的是一个复杂度很低的终端，以尽量节省系统成本。于是，解码复杂度低的LDPC编解码技术开始大量运用。其特点是：性能优于Turbo码，具有较大的灵活性和较低的差错平底特性（errorfloors）；描述简单，对严格理论分析具有可验证性；译码复杂度低于turbo码，且可实现完全的并行操作；硬件复杂度低，因而适合硬件实现；吞吐量大，极具高速译码潜力。因此，结合LDPC的无线通信系统必将获得更好的性能。六、结束语MIMO技术和OFDM技术在各自的领域中都发挥了巨大的作用，将两者相结合的MIMO-OFDM系统提供了更高的速率和频带利用率，已成为下一代移动通信技术研究的热点。参考文献[1]黄韬，袁超伟，杨睿哲等.MIMO相关技术与应用.北京：机械工业出版社.2007年[2]周恩，张兴，吕召彪等.下一代宽带无线通信OFDM与MIMO技术.北京：人民邮电出版社.2008年龙源期刊网