無線網(wǎng)絡(luò)中的OFDM與MIMO技術(shù)的融合

胡成偉

【摘要】 OFDM技術(shù)作為無線環(huán)境的高速傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在給定信道內(nèi)使用若干正交子載波進(jìn)行調(diào)制傳輸，頻譜相互重疊，不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。而MIMO技術(shù)作為目前最常見的無線技術(shù)之一，同時(shí)也是802.11N產(chǎn)品標(biāo)志性的技術(shù)之一，能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。從而進(jìn)一步提高無線通信系統(tǒng)容量，提高了數(shù)據(jù)速率。OFDM與MIMO的融合，將在OFDM基礎(chǔ)上更加合理的開發(fā)了空間資源，可以提供更高的數(shù)據(jù)速率，改善系統(tǒng)性能。使得MIMO系統(tǒng)在頻率選擇性衰落信道中也能發(fā)揮作用。因此，兩者的融合必然在下一代無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色。

【關(guān)鍵詞】 OFDM技術(shù) MIMO技術(shù) OFDM與MIMO的融合

一、引言

無線通信作為新興的通信技術(shù)在日常生活中的作用越來越大。近年來，無線局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，但無線局域網(wǎng)的性能、速度與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比還有一定距離，因此，如何提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能和容量日益顯得重要。在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)高速率和大容量，需要頻譜效率極高的技術(shù)。MIMO技術(shù)充分開發(fā)空間資源，利用多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。OFDM技術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，其多載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源，另外，OFDM將總帶寬分割為若干個(gè)窄帶子載波可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。因此充分開發(fā)這兩種技術(shù)的潛力，將二者結(jié)合起來可以成為新一代移動(dòng)通信核心技術(shù)的解決方案，下面詳細(xì)介紹這兩種技術(shù)及其二者的結(jié)合方案。

二、OFDM技術(shù)

OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。眾所周知，無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。（如圖1）

OFDM將頻率選擇性信道劃分為一組平衰落的子信道并行傳輸數(shù)據(jù)，從而有效地減小了信道時(shí)延擴(kuò)展的影響，OFDM的各子載波信道的頻譜相互重疊，且每個(gè)子信道頻域響應(yīng)的峰值點(diǎn)恰為其它子信道頻域響應(yīng)的零點(diǎn)，因而既保證了子載波的正交性，也充分利用了頻譜資源。同時(shí)，OFDM可利用FFT/IFFT快速高效的實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)?？梢愿鶕?jù)信道特性自適應(yīng)地進(jìn)行各子載波上的功率分配以及選擇不同的調(diào)制方式，充分利用條件好的子信道以提高系統(tǒng)性能。

另一方面，與單載波系統(tǒng)相比，OFDM對頻率偏差更加敏感。無線信道的時(shí)變性造成的多普勒頻移，或者發(fā)射機(jī)和接收機(jī)本地振蕩器的頻率偏差都會(huì)破壞子載波的正交性，從而導(dǎo)致ICI。OFDM還存在較高的峰值平均功率比，這是由于OFDM的輸出信號由多個(gè)子信道上的信號疊加而成，當(dāng)這些信號的相位一致時(shí)，輸出信號的瞬時(shí)功率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均功率。高峰均比對發(fā)射機(jī)內(nèi)的線性放大器提出了很高的要求，如果放大器的動(dòng)態(tài)范圍不能滿足信號幅度的變化，就會(huì)造成信號波形和頻譜的畸變，因而破壞子載波的正交性。

三、MIMO技術(shù)

多進(jìn)多出（MIMO）系統(tǒng)是利用多天線來抑制信道衰落。該系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。圖2所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖。傳輸信息流s（k）經(jīng)過空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci（k），I=1，……，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理，特別是當(dāng)這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的構(gòu)筑多條相互獨(dú)立的通道，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而可實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率，這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。（如圖2）

對于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為：C=[min（M，N）] Blog2（ρ/2） 其中B為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min（M，N）為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時(shí)，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。相對而言，多入多出對于提高無線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。可以看出，此時(shí)的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。常見的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼?？諘r(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。

四、OFDM-MIMO融合

從以上分析我們可以看出MIMO和OFDM在各自的應(yīng)用領(lǐng)域有各自的優(yōu)點(diǎn)，MIMO系統(tǒng)可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落，MIMO仍是無能為力，現(xiàn)在一般采用均衡技術(shù)來解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落。OFDM被認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信中的核心技術(shù)。4G需要高的頻譜利用率的技術(shù)，但OFDM提高頻譜利用率的能力畢竟有限。如果結(jié)合MIMO技術(shù)，可以在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下提高頻譜效率。MIMO+OFDM技術(shù)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又可以通過分集達(dá)到很強(qiáng)的可靠性，如果把合適的數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用到MIMO+OFDM系統(tǒng)中能更好的增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，OFDM由于碼率低和加入了時(shí)間保護(hù)間隔而具有很強(qiáng)的抗多徑干擾能力。多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔使系統(tǒng)不受碼間干擾的影響。這樣就可以使單頻網(wǎng)絡(luò)使用寬帶OFDM系統(tǒng)依靠MIMO技術(shù)消除陰影效應(yīng)。

MIMO-OFDM系統(tǒng)采用Nt個(gè)發(fā)送天線，Nr個(gè)接收天線，在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)衰落。輸入的比特流經(jīng)串并變換分為多個(gè)分支，每個(gè)分支都進(jìn)行OFDM處理，即經(jīng)過編碼、交織、QAM映射、插入導(dǎo)頻信號、IDFT變換、加循環(huán)前綴等過程，再經(jīng)天線發(fā)送到無線信道中；接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號處理過程，例如：去除循環(huán)前綴、DFT變換、解碼等等，同時(shí)進(jìn)行信道估計(jì)、定時(shí)、同步、MIMO檢測等技術(shù)，來完全恢復(fù)原來的比特流。

五、結(jié)束語

MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)在各自的領(lǐng)域都發(fā)揮了巨大的作用，目前將MIMO與OFDM相結(jié)合并應(yīng)用到下一代無線局域網(wǎng)中，是無線通信的一個(gè)研究熱點(diǎn)，將使無線局域網(wǎng)向著更高速率、更大容量、更好性能的方向發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] IEEE802.11Part11， Wireless LAN Medium Access Control（MAC）andPhysicalLayer （PHY） Specifications [S].

[2]”Data and Computer Communications”William Hall Published by Prentice Hall

[3]《移動(dòng)無線通信（英文版）--國外電子通信教材》 （美）施瓦茨（SchwartZ 電子工業(yè)出版社

[4]佟學(xué)儉，羅濤.OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用 [M]. 北京：人民郵電出版社， 2003.