|
4G將提供高達100Mb/S甚至更高的數據傳輸速率，支持從語音到多媒體的業務，實現商業無線網絡、局域網、藍牙、電視衛星通信等的無縫連接，相互兼容。數據傳輸速率還可以根據所要的速率不同進行動態調整。在有限的頻譜資源上實現如此高速率和大容量，需要提高頻譜效率。OFDM技術是可以高效地利用頻譜資源并有效地對抗頻率選擇性衰落。MIMO利用多個天線實現多發多收，在不增加帶寬和發送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。MIMO和 OFDM結合可以克服無線信道頻率選擇性衰落、增加系統容量、提高頻譜利用率，成為4G中關鍵技術之一，是當今移動通信領域研究的熱點。 1、MIMO技術 MIMO是無線通信領域智能天線的重大突破，它在發送端和接收端使用多天線（或天線陣）同時發送、接收信號，如圖1所示，若各發送、接收天線之間的信道沖激響應獨立，MIMO就可以創造多個并行的空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，傳輸速率必然可以增加。 圖1 MIMO系統框圖 由于各發送天線同時發送的信號占用同一頻段，所以在沒有增加帶寬的情況下，成倍地提高了系統的容量和頻譜利用率在文獻、中已經證明，信道容量將會隨天線數目的增加而線性增加，如圖2所示。由圖2可知，當天線數目增多時，系統容量和信噪比幾乎成線性關系，同時也證明了MIMO能改善系統性能。 圖2 信道容量與天線根數之間關系 2、OFDM技術 OFDM的思想是使用多個并行的子載波傳輸數據，并使相鄰的子載波間隔等于一個子載波的帶寬，子載波間相互正交。在理想情況下，接收端可以利用子載波間的正交性互不干擾地對各子載波進行解調。由于頻譜重疊，OFDM系統的頻譜利用率提高的幅度與一般的頻分復用相比幾乎達到一倍。在接收端，經過無線信道后的OFDM信號各子信道間保持了原有的正交性，信道干擾的影響簡化為一個復傳輸常數與一個子信道傳輸的信號相乘，因此，對信號進行均衡變得很簡單。 3、MIMO-OFDM模型 MIMO系統可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落，MIMO仍無能為力，現在一般采用均衡技術和OFDM技術來解決。4G需要高的頻譜利用率的技術，但OFDM提高頻譜利用率的能力有限，若結合MIMO技術，可以在不增加帶寬的情況下提高頻譜效率。它利用時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。MIMO-OFDM系統結構圖如圖3所示。 圖3 MIMO-OFDM系統結構圖 4、MIMO-OFDM系統關鍵技術 4.1 信道估計 信道估計，就是利用信號的確知信息來估計出實際信道的徑數和徑的系數，目的是識別每副發送天線與接收天線之間的信道沖激響應。 目前信道估計有兩類：一類是基于訓練序列或導頻的方法，此類方法在時變信道中，需要周期性地發送訓練序列，訓練序列的發送要占用信道容量，從而降低了信道利用率，它的好處是估計誤差小，收斂速度快；另一類是采用盲方法來進行信道辨別，分為全盲和半盲信道估計。全盲信道估計是利用信道的輸出與輸入有關的統計信息，在無需知道導頻或訓練序列的情況下估計信道參數，好處是傳輸效率高，不足是魯棒性相對較差、收斂速度慢，而且運算量較大。半盲是結合盲處理和少量導頻信號或訓練序列，可以克服由碼間干擾和不同信號源干擾引起的對盲處理的限制。 盲方法可以提高信道利用率，更適合于高速數字通信信道，但全盲算法運算量相對較大，而且收斂速度慢，目前還難以實用化。而半盲算法是對盲算法和基于導頻法的折衷處理，降低了運算復雜度。可以預計，對盲信道估計的研究將成為MIMO-OFDM系統信道估計的熱點。 4.2 同步 MIMO-OFDM系統對定時和頻偏敏感，因此時域和頻率同步特別重要。MIMO-OFDM系統同步問題包括載波同步、符號同步和幀同步。 載波頻率不同步會破壞子載波間的正交性，不僅造成輸出信號幅度衰減及信號相位旋轉，更嚴重是帶來ICI，同時還會影響到符號定時和幀同步的性能。所以載波同步對MIMO-OFDM系統尤為重要。 符號定時的目的是為了找到FFT窗的起始位置，使子系統保持正交，且ISI被完全消除或降至最小。可以采用特殊的訓練序列或用循環前綴的相關特性進行符號定時。 幀同步是在OFDM符號流中找出幀的開始位置，在幀頭被檢測到的基礎上，接收機根據幀結構的定義，以不同方式處理一幀中具有不同作用的符號。 4.3 分集技術 無線通信的不可靠性主要是由無線衰落信道時變和多徑特性引起的，如何在不增加功率和不犧牲帶寬情況下，同時減少多徑衰落對基站和移動臺的影響就顯得很重要。唯一方法是采用抗衰落技術，克服多徑衰落的有效方法是各種分集技術。 分集技術目前分為時間分集、頻率分集和空間分集等。時間分集是在時域內提供多個信號副本，為獲得好的分集效果，要求發送冗余信號的若干時隙之間相互獨立。頻率分集就是在不同載波頻率上提供多個信號副本，要求幾個載波頻率間隔要大于衰落信道的相干帶寬，從而獲得比較好的分集增益。空間分集就是采用多個天線發送和接收數據，為保證多個發送或多個接收信號之間的獨立性，要求各個天線之間距離要足夠大，一般大于若干個波長。 每一種分集技術都有它的適用的場合，因此在新一代移動通信系統中，必須考慮多種技術的結合。 4.4 空時編碼 空時編碼是有效提高頻譜利用率的重要方案之一。目前空時編碼方式主要有：1）分層空時碼（LST）；2）空時格形碼（STTC）；3）空時分組碼[5-7]（STBC）；4）空時頻編碼（STFC）。 LST的特點是其編解碼的過程非常簡單，其編碼性能是這幾種編碼方法中最差的，最根本原因是由于它沒有實現分集。 STTC是由AT&T實驗室的Tarokh博士領導的科研小組提出的，它是利用格形編碼原則，對輸入碼元進行編碼，然后再通過天線陣發射，其優點是具有高的分集增益和編碼增益、發射帶寬無損失，缺點是其解碼復雜度隨發射速率的增大而指數增加，其解碼過程極其復雜。 STBC支持最大似然檢測（ML），接收端采用線性處理技術，優點是譯碼復雜度比STTC大大的降低，而且有效的獲得了分集增益，并沒有展寬帶寬，沒有犧牲頻譜效率，缺點是不能提供任何實質上的編碼增益。 STFC是MIMO-OFDM的一項新技術。STFC-OFDM系統將時間、空間和頻率三種分集有效結合在一起，在一定情況下能獲得全滿的分集增益，從而提高系統的性能。 5、總結 本文介紹了MIMO-OFDM技術中的關鍵技術，如信道估計、同步、分集技術和空時編碼等。由于MOMO和OFDM技術的結合，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。因此成為4G移動通信系統研究的熱點問題。 |
