MIMO+OFDM:新一代移动通信核心技术

任立刚　宋梅　乔强国　宋俊德　朱松俭　郗松楠

　　摘 要 新一代移动通信（beyond 3G/4G）与第三代移动通信系统（3G）相比将会提供更高的数据传输速率，更低的成本。达到高速率低成本的一个技术前提就是高频谱效率的技术，从而可以在有限的频谱上提供更高的传输速率和系统容量，MIMO和OFDM就是这样的技术。二者的结合已经成为新一代移动通信技术研究中的热点。通过这两种技术的优势互补，可以为系统提供高达2~100Mbit/s的传输速率，同时也能提高系统容量，降低成本。本文将详细介绍这两种技术，并给出二者结合的方案。

　　关键词 移动通信 MIMO技术 OFOM技术

1 引言

　　新一代移动通信（beyond 3G/4G）将可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s，甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。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，另外，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。因此充分开发这两种技术的潜力，将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案，下面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。

2 MIMO技术

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系统，MIMO还可以包括SIMO（Single-Input Multi-ple-Output）系统和MISO（Multiple-Input Single-Output）系统。

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算法、ＭＭＳＥ算法、ＭＬ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。

3 OFDM技术

　　ＯＦＤＭ（正交频分复用）技术实际上是ＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ－Ｃａｒｒｉｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，多载波调制）的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ＩＣＩ）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

结合简要介绍ＯＦＤＭ的工作原理，输入数据信元的速率为Ｒ，经过串并转换后，分成Ｍ个并行的子数据流，每个子数据流的速率为R/M，在每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如ＰＳＫ、ＱＡＭ等。Ｍ个并行的子数据信元编码交织后进行ＩＦＦＴ变换，将频域信号转换到时域，ＩＦＦＴ块的输出是Ｎ个时域的样点，再将长为Ｌｐ的ＣＰ（循环前缀）加到Ｎ个样点前，形成循环扩展的ＯＦＤＭ信元，因此，实际发送的ＯＦＤＭ信元的长度为Ｌｐ＋Ｎ，经过并/串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去ＣＰ，如果ＣＰ长度大于信道的记忆长度时，ＩＳＩ仅仅影响ＣＰ，而不影响有用数据，去掉ＣＰ也就去掉了ＩＳＩ的影响。

ＯＦＤＭ技术之所以越来越受关注，是因为ＯＦＤＭ有很多独特的优点：

　　（1）频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。

　　（2）抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。

　　（3）采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道，每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原则

　　（4）通过各子载波的联合编码，可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。但通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。

　　（5）基于离散傅立叶变换（DFT）的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调，易用DSP实现。

4 MIMO与OFDM的结合

　　MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，4G需要极高频谱利用率的技术，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。下面给出MIMO+OFDM的结合方案。

　　这样在接收端接收到的第ｌ个子载波频率上的Ｎ个符号可以通过V-BLAST算法进行解译码，重复进行Ｌ次以后，ＮＬ个M-QAM符号可以被恢复出来。

5 目前应用状况分析

　　目前MIMO技术的应用领域还主要是在固定无线接入，这方面领先的是美国的Raze和Iospan公司。美国Agere系统公司日前开发成功了最高传输速度为162Mbit/s的无线LAN技术，这种技术是在收发两端使用阵列天线的多路输入/多路输出（MIMO）和正交频分复用（OFDM），该系统使用3对收发天线，每对收发天线可以实现54Mbit/s。这是目前MIMO+OFDM技术所表现的强大的应用潜力。IEEE 802.11a、11g都是以OFDM作为核心技术，而IEEE 802.16系列则是以MIMO+OFDM技术为核心。

　　世界各国和各大电信厂商目前都已经开展了新一代移动通信系统的研究，而且由于MIMO和OFDM在提高无线链路的传输速率和可靠性的巨大潜力，使得这两种技术特别是二者的结合有望成为过渡到4G的潜在技术。因此这两种技术已经成为目前4G研究的热点。

6 结束语

　　MIMO技术是具有极高频谱利用率的技术，在V-BLAST算法下， 理想情况下可以达到20~40bits/s/Hz，这是目前任何一种技术所达不到的。另外在各类无线通信系统中，ISI（符号间干扰）一直是影响通信质量的重要因素。OFDM技术能够有效对抗ISI，同时具有频谱利用率高，抗多径衰落性能好，成本偏低等优点，因此这二者的结合是一种必然的趋势。也必将成为下一代移动通信系统的核心技术之一。

　　任立刚，北京邮电大学PCN&&CAD中心博士研究生，研究方向为移动数据通信，未来移动通信关键技术。

　　宋 梅，女，北京邮电大学副教授，硕士生导师，主要研究方向为未来移动通信。

　　乔强国，男，北京邮电大学硕士生，主要研究方向为OFDM技术在移动通信中的应用。

　　宋俊德，男，北京邮电大学教授，博士生导师，主要研究方向为CTI技术、未来无线移动通信技术。

　　朱松俭，男，北京邮电大学电子工程系博士研究生，主要从事第三代移动通信关键技术方面的研究。

　　郗松楠，女，北京邮电大学硕士生，主要研究方向为未来移动通信。

----《中国数据通信》