引言

未來的寬頻無線通訊系統，將在高穩定性和高資料傳輸速率的前提下，滿足從語

音到多媒體的多種綜合業務需求。而要在有限的頻譜資源上實現綜合業務內容的快速傳輸，需要頻譜效率極高的技術。MIMO技術充分開發空間資源，利用多個天線實現多發多收，在不需要增加頻譜資源和天線傳送功率的情況下，可以成倍地提高通道容量。OFDM（正交頻分複用）技術是多載波窄帶傳輸的一種，其子載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。二者的有效結合可以克服多徑效應和頻率選擇性衰落帶來的不良影響，實現訊號傳輸的高度可靠性，還可以增加系統容量，提高頻譜利用率，是第四代行動通訊的熱點技術。

OFDM技術原理及實現

無線通道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定通道分成多個正交子通道，然後將高速資料訊號轉換成多個並行的低速子資料流，調製到每個通道的子載波上進行窄帶傳輸。

每個子通道上的訊號頻寬小於通道的相關頻寬，因此每個子通道可以看成平坦性衰落，從而可以消除通道波形間的干擾。由於OFDM是一種多載波調製技術，OFDM系統採用正交方法來區分不同子載波，子載波間的頻譜可以相互重疊，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又極大地提高了頻譜利用率。如圖1可見OFDM的正交性。

圖1 OFDM訊號頻譜

由於OFDM系統中有大量載波，所以在實際應用中不可能像傳統的處理方法一樣，使用幾十個甚至幾百個振盪器和鎖相環進行相干解調。因此，Weinstein提出了一種用離散傅立葉變換實現OFDM的方法。

設OFDM訊號發射週期為［0，T］,在一個週期內傳輸的N個符號為(D0，D1，…，DN-1)。第k個符號Dk調製第k個載波fk，所以合成的OFDM訊號為:

由式⑤可見，以fs對C(t)取樣所得的N個樣值(C0，C1，…，CN-1)剛好為(D0，D1，…，DN-1)的N點反向離散傅立葉變換(IDFT)。因此OFDM系統可以這樣實現：在發射端，先由(D0，D1，…，DN-1)的IDFT求得(C0，C1，…，CN-1)，再經過低通濾波器即得所需的OFDM訊號C(t);在接收端，先對C(t)取樣得到(C0，C1，…，CN-1)，再對(C0，C1，…，CN-1)求DFT，即得(D0，D1，…，DN-1)。

在實際應用中，可以使用DFT的快速演算法FFT來實現，採用易於實現的FFT和IFFT技術，可以快速實現調製與解調，而且容易利用DSP電路簡單實現，大大降低了OFDM系統的複雜性。隨著大規模積體電路技術與數字訊號處理技術的迅速發展，許多DSP晶片的運算能力越來越快，顯著改善了系統的效能，更進一步推動了OFDM技術的發展。目前，OFDM技術已被普遍認為是新一代無線通訊系統必須採用的關鍵技術。

儘管OFDM有著種種優勢，但是對於高速無線通訊時代，單純的OFDM系統傳輸容量仍無法大幅提高，因此，MIMO與OFDM技術的結合成為一種優化組合。

MIMO原理及其技術實現

MIMO技術是針對多徑無線通道來說的，是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，從而提高資料速率、減少誤位元率，改善無線訊號傳送質量。如圖2所示，MIMO系統同時利用通道編碼和多天線技術，訊號S(t)經過空時編碼形成N個發射子流Wk(t)，（k=0，1，……，N-1）。這N個子流由N個天線發射出去，經空間傳輸後由M個接收天線接收。MIMO接收機通過空時解碼處理這些子資料流，對其進行區分和解碼，從而實現最佳的訊號處理。MIMO系統正是依靠這種同時使用空域和時域分集的方法來降低通道誤位元速率，提高無線鏈路的可靠性。

圖2 MIMO系統通道模型

另一方面，這N個子流同時發射時，只佔用同一傳輸通道，並不會增加使用頻寬。在自由空間裡，MIMO系統佔用比普通天線系統更多的傳輸空間，用來在各發射和接收天線間構築多條相互獨立的通道，產生多個並行空間通道，並通過這些並行的空間通道獨立地傳輸資訊，達到了空間複用的目的，以此方式來提高系統的傳輸容量。

對於天線數與通道容量的關係，我們可以假設在發射端，各天線發射獨立的等功率訊號，而且各訊號滿足Rayleigh（瑞利）分佈，根據MIMO系統的通道傳輸特性和夏農通道容量計算方法，推匯出平衰落MIMO系統通道容量近似表示式為:

⑥。

其中B為訊號頻寬，SNR為接收端平均信噪比，min(N,M)為發射天線數量N和接收天線數量M中的最小者。式⑥表明，在同等傳輸頻寬，而且接收端信噪比不變化的情況下（基本取決於外界條件和發射功率的變化），多入多出系統的通道容量隨最小天線數目的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端採用多天線或天線陣列的普通智慧天線系統，其容量僅隨天線數量的對數增加而增加。相對而言，在不佔用額外的頻寬，也不消耗額外的發射功率的情況下，利用MIMO技術可以成倍地提高系統傳輸容量，大大提高了頻譜利用率，這是無線通訊領域智慧天線技術的重大突破。

MIMO-OFDM系統

3.1 MIMO、OFDM系統組合的必要性

在高速寬頻無線通訊系統中，多徑效應、頻率選擇性衰落和頻寬效率是訊號傳輸過程中必須考慮的幾個關鍵問題。多徑效應會引起訊號的衰落，因而被視為有害因素。然而MIMO系統是針對多徑無線通道而產生的，在一定程度上可以利用傳播過程中產生的多徑分量，多徑效應對其影響並不大，反而可以作為一個有利因素加以使用。但MIMO對於頻率選擇性衰落仍無法避免，而解決頻率選擇性衰落問題恰恰正是OFDM的一個長處。

OFDM技術實質上是一種多載波窄帶調製，可以將寬頻通道轉化成若干個平坦的窄帶子通道，每個子通道上的訊號頻寬小於通道的相關頻寬，所以每個子通道上的頻率選擇性衰落可以看作是平坦性衰落。 OFDM被認為是第四代行動通訊中的核心技術，然而4G需要高的頻譜利用技術和高速傳輸系統，為了進一步提高系統傳輸速率，使用OFDM技術的無線通訊網就必須增載入波的數量，而這種方法會造成系統複雜度的增加，並增大系統的佔用頻寬。而MIMO多天線技術能在不增加頻寬的情況下，在每一個窄帶平坦子通道上獲得更大的通道容量，可以成倍地提高通訊系統的容量和頻譜效率，是一種利用空間資源換取頻譜資源的技術。

因此MIMO-OFDM系統的提出是無線通訊領域的重大突破，其頻譜利用率高、訊號傳輸穩定、高傳輸速率等基本特效能夠滿足下一代無線傳輸網發展要求。MIMO-OFDM系統內組合了多輸入和多輸出天線和正交頻分複用調製兩大關鍵技術。這種系統通過空間複用技術可以提供更高的資料傳輸速率，又可以通過空時分集和正交頻分複用達到很強的可靠性和頻譜利用率。

3.2 MIMO-OFDM系統模型

在典型的MIMO-OFDM系統模型中，發射端（N個發射天線）工作流程如下：輸入的資料符號流經串/並電路分成N個子符號流，採用通道編碼技術對每個符號流進行無失真壓縮並加入冗餘資訊，調製器對編碼後的資料進行空時調製；調製後的訊號在IFFT電路中實現OFDM調製處理，完成將頻域資料變換為時域資料的過程，然後輸出的每個OFDM符號前加一個迴圈字首以減弱通道延遲擴充套件產生的影響，每個時隙前加字首用以定時，這些處理過的OFDM訊號流相互平行地傳輸，每一個訊號流對應一個指定的發射天線，並經數模轉換及射頻模組處理後發射出去。

圖3 帶自適應方案的MIMO-OFDM系統基本結構

接收端進行與發射端相反的訊號處理過程，首先通過接收端的M根接收天線接收訊號，這些訊號經過放大、變頻、濾波等射頻處理後，得到基帶模擬接收訊號;並分別通過模數轉換將模擬訊號轉換為數字訊號後進行同步，在去迴圈字首後通過FFT解調剩下的OFDM符號;此時，時延資料變換成為頻域資料，接下來在頻域內，從解調後的OFDM符號中提取出頻率導頻，然後通過精細的頻率同步和定時，準確地提取出導頻和資料符號，實現資料還原。

如上說明，IFFT/FFT和迴圈字首的新增和去除過程都在每一個獨立的傳送和接收模組內完成，而MIMO的空時編碼和空間複用處理技術也可以應用於OFDM的每個子載波上（對應平衰落通道）。總而言之，在MIMO-OFDM系統中，增加了頻域的分集和複用作用，帶來了更大的系統增益和系統容量。

MIMO-OFDM系統的關鍵技術

4.1 MIMO空時訊號處理技術

空時訊號處理是隨著MIMO技術而誕生的一個嶄新的概念，與傳統訊號處理方式的不同之處在於其同時從時間和空間兩方面研究訊號的處理問題。空時訊號處理包括髮射端的信令方案和接收端的檢測演算法。從信令方案的角度看，MIMO可以大致分為空時編碼（STC:Space Time Coding）和空間複用（SM:Spatial Multiplexing）兩種。

（1）空時編碼技術

空時編碼技術在發射端對資料流進行聯合編碼以減小由於通道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，通過在發射端的聯合編碼增加訊號的冗餘度，從而使訊號在接收端獲得最大的分集增益和編碼增益;但它的缺點是無法提高資料傳輸速率。一般而言，空時編碼包括空時格碼(STTC: Space-Time Trellis Code)和空時分組碼(STBC:Space-Time Block Code)。空時格碼可以實現滿分集增益，並且具有相應的編碼增益，抗衰落效能比較好。空時分組碼也可以獲得滿分集增益，而且這種技術只需在接收端進行簡單的線性處理，大大簡化了接收機的結構。

（2）空間複用技術

空間複用是通過不同的天線儘可能多地在空間通道上傳輸相互獨立的資料。MIMO技術的空間複用就是在接收端和發射端使用多個天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一通道上使用多個數據通道（MIMO子通道）發射訊號，從而使得通道容量隨著天線數量的增加而線性增加。這種通道容量的增加不佔用額外的頻寬，也不消耗額外的發射功率，因此是增加通道和系統容量的一種非常有效的手段。

目前，該技術主要的解碼方法有ZF、MMSE、ML、BLAST等。典型的空間複用技術是貝爾實驗室的空時分層結構(BLAST)，包括V-BLAST, H-BLAST和D-BALST三種。其中最基本的形式是針對平衰落通道的V-BLAST結構，它沒有得到空間分集，而是純粹的MIMO多路傳輸，可獲得最大速率或流量增益。

空間複用能最大化MIMO系統的平均發射速率，但只能獲得有限的分集增益。將空間複用和空時編碼相結合，能在保證每個資料流獲得最小分集增益的條件下，最大化平均資料率，從而得到高頻譜效率和傳輸質量的良好折中。目前將空間複用和空時編碼相結合的方案主要有兩種，即連結編碼和使用塊碼對映的自適應MIMO系統。

4.2 同步

對於無線通訊來說，無線通道存在時變性，在傳輸中存在的頻率偏移會使MIMO-OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統也有很大的損害。

由於傳送端和接受端之間的取樣時鐘有偏差，每個訊號樣本都一定程度地偏離它正確的取樣時間，此偏差隨樣本數量的增加而線性增大，儘管時間偏差會破壞子載波之間的正交性，但是通常情況下可以忽略不計。當取樣錯誤可以被校正時，就可以用內插濾波器來控制正確的時間進行取樣。

相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機相位變數，跟蹤技術和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響;其次也會引入一定量的通道間干擾，因為相位誤差導致子載波的間隔不再是精確的1/Ｔ了。

為解決MIMO-OFDM的同步問題，出現了多種同步演算法，主要是針對迴圈擴充套件和特殊的訓練序列以及導頻訊號來進行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步演算法和ML估計演算法，其中ESPRIT演算法雖然估計精度高，但計算複雜、計算量大;而ML演算法利用OFDM訊號的迴圈字首，可以有效地對MIMO-OFDM訊號進行頻偏和時偏的聯合估計，而且與ESPRIT演算法相比，其計算量要小得多。目前，對MIMO-OFDM技術的同步演算法研究得比較多，需要根據具體的系統具體設計和研究，利用各種演算法融合進行聯合估計才是可行的。

4.3 通道估計

在MIMO-OFDM系統中，傳送端編碼和接收端訊號檢測都需要真實準確的通道狀態資訊。通道狀態資訊的準確性將直接影響著MIMO-OFDM系統的整體效能。然而對於MIMO-OFDM系統，不同的訊號同時從不同的天線發射出去，對於每一個天線、每一個子載波都會對應很多個通道引數，通道引數太多，對通道估計帶來了較大的困難。但對於不同的子載波，同一空分通道的引數是相關的，我們可以利用這一相關特性得到引數的估計方法。

4.4 通道糾錯編碼

糾錯編碼技術在現代數字通訊的作用毋庸置疑，作為改善數字通道通訊可靠性的一種有效手段，低複雜度、高效能的編碼方案明顯可以大大提高系統的效能。在數字通訊領域，比較常用的編碼方法主要有卷積碼、分組碼、Turbo碼和LDPC（低密度奇偶校驗）碼。而其中最受人們關注、理論最成熟的是Turbo碼和LDPC碼。

Turbo碼可獲得比傳統級連碼更大的編碼增益，被認為是大編碼儲存卷積碼或傳統級連碼的替代方案。但是，對於使用Turbo的系統來說，其解碼的複雜度遠高於編碼的複雜度，無線通訊系統要求的是一個複雜度很低的終端，以儘量節省系統成本。於是，解碼複雜度低的LDPC編解碼技術開始大量運用。

LDPC（低密度奇偶校驗碼）是一類可以用非常稀疏的Parity-check（奇偶校驗矩陣）或Bi-Partite graph(二分圖)定義的線性分組糾錯碼。其特點是：效能優於Turbo碼，具有較大的靈活性和較低的差錯平底特性（error floors）；描述簡單，對嚴格理論分析具有可驗證性；譯碼複雜度低於turbo碼，且可實現完全的並行操作；硬體複雜度低，因而適合硬體實現；吞吐量大，極具高速譯碼潛力。因此，結合LDPC的無線通訊系統必將獲得更好的效能。

4.5 自適應技術

MIMO-OFDM系統可以將無線通訊的訊號處理從時頻分集擴充套件為空時頻分集，進一步分割通道為空時頻正交子通道。這樣，就需要根據各個子通道的實際傳輸情況靈活地分配發送功率和資訊位元，以最大限度地提高系統容量。而且由於無線通道的頻率選擇性和時變性，也需要實時地對通道進行檢測，以便更加有效地利用無線資源。

自適應傳輸的基本思想是根據傳輸通道的實際情況，改變發射功率的水平、每個子通道的符號傳輸速率、QAM星座大小、編碼等引數或這些引數的組合以維持恆定的誤位元速率。對於同一MIMO-OFDM通訊系統的所有子載波來說，其誤位元速率主要由經歷衰落最嚴重的子通道決定。在頻率選擇性衰落通道中，隨著平均信噪比的增加，系統的誤位元速率下降十分緩慢。可以對不同的子通道選用不同的無線傳輸引數，即採用不同的發射功率、傳輸速率、調製和編碼引數，使信噪比不同的每個子通道得到其最佳的一一對應的傳輸方案。簡單地說，就是在不犧牲誤位元速率的情況下，通過傳輸質量好的子通道採用高速傳輸，而在質量不好的子通道以降低傳輸速率等方式來提供較高的頻譜使用效率。

自適應技術大大減少了對均衡和交織的依賴，提升了通訊系統的效能。

小結

將MIMO技術和OFDM技術優化結合，能夠充分利用這兩種技術優點，既能提高分集增益和系統容量，又能增加頻譜利用率，有效對抗頻率選擇性衰落。在先進的編碼和自適應技術的支援下，MIMO和OFDM的結合應用，將成為第四代移動通訊系統中的關鍵技術。

參考文獻

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