4G中MIMO-OFDM系统的研究

1、引言

4G移动通信在描绘高速的数据传输，提供从语音到多媒体业务丰富业务美好前景的同时，也面临着两大挑战：多径衰落和带宽利用率。OFDM技术通过将信道分解为多个正交子信道的方法实现了频率选择性多径衰落信道向平坦衰落信道的转化，有效地减小了多径衰落的影响。而MIMO技术能在空间中产生多个独立的并行信道同时传输数据，在不增加系统带宽的情况下提高了频谱利用率。因此，OFDM和MIMO技术的有效结合已成为新一代移动通信的必然趋势。

2、MIMO-OFDM技术

2.1　OFDM技术

正交频分复用（OFDM）是一种无线环境下的高速传输技术。传统的频分复用将频带分为若干个不重叠的子频带来传输并行数据流，子信道之间要保留保护频带。而OFDM技术中各个子载波之间相互正交，允许子信道的频谱相互重叠，因此OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。OFDM实际上是一种多载波并行调制方式，其将符号周期扩大为原来的N倍，从而提高了抗多径衰落的能力。可以通过IFFT（快速傅立叶反变换）和FFT（快速傅立叶变换）分别来实现OFDM的调制和解调，其工作原理图如图1所示。

图1　OFDM工作原理图

OFDM技术之所以越来越受关注，原因在于其存在如下独特的优点：（1）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。通过采用循环前缀作为保护间隔，避免了信道间干扰（ICI）。（2）频谱利用率高。这一点在频谱资源有限的无线通信中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，理论频谱利用率可以接近奈奎斯特极限。（3）采用动态子载波分配技术使系统达到最大比特率。即各子信道信息分配遵循信息论中的"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）OFDM技术基于离散傅立叶变换（DFT），可采用IFFT和FFT来实现调制和解调，便于DSP实现。（5）无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要远远大于上行链路中的数据传输量，因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自身来考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM系统容易通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

当然，OFDM系统也还存在如下主要缺点：（1）易受频率偏差的影响。无线信道中的多普勒频移、频率偏差都会造成OFDM系统子信道之间正交性的破坏，导致信道间干扰。（2）存在较高的峰值平均功率比（PAR）。由于多载波调制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放大器的线性提出了极高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号幅度的变化，就会造成信号和频谱的畸变，从而破坏子载波的正交性，使系统性能恶化。

2.2　MIMO技术

多输入多输出（MIMO）技术是第三代和未来移动通信系统实现高数据速率、大系统容量，提高传输质量的重要技术。在当前第三代移动通信系统中，下行链路的容量构成了整个系统的瓶颈。但如果在发送端或接收端使用多天线系统，此时的信道容量将随着天线数量的增加而线性增大，同时在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率也成倍地提高。

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 Multiple-Output）系统和MISO（Multiple-Input Single-Output）系统。图2所示即为典型的MIMO系统原理图。

图2　MIMO系统原理图

2.3　MIMO同OFDM结合的必要性

经研究表明MIMO和OFDM技术各有利弊。OFDM技术是一种特殊的多载波传输方案，OFDM将总带宽分割为若干窄带子载波可以有效抵抗频率选择性衰落，同时其多载波之间的相互正交性，又有效地利用了频谱资源，但OFDM提高系统容量的能力毕竟有限。而MIMO系统利用空间复用技术在理论上可无限提高系统容量，利用空间分集技术可以抗多径衰落，但MIMO系统对于频率选择性衰落无能为力，因此有必要将两者有效地结合起来。OFDM与MIMO技术结合构成的MIMO-OFDM系统既可以达到很高的传输效率，又有很强的可靠性，其必将成为未来移动通信领域的核心技术。

来源：豆豆网