什么是MIMO.docx

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1、什么是MIMO什么是MIMO-OFDM技术摘要第四代挪动通信提供高的数据传输速率而MIMO以及OFDM进步了频谱效率进而提供高传输速率以及系统容量的技术。两者的结合已经成为第四代挪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传输速率同时也能进步系统容量,降低本钱。文中详细介绍了这两种技术及信道估计。图1.采用MIMO-OFDM技术的新标准。一、引言目前没有第四代挪动通信确实切定义但比拟认同的解释是“第四代挪动通信的概念可称为宽带接入以及分布网络,具有非对称的以及超过2Mbit/s的数据传输才能。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、挪动宽带系统、互操作的播送网络以及卫星系

2、统等。此外第四代挪动通信系统将是多功能集成的宽带挪动通信系统可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s甚至更高也是宽带接入IP系统。简单而言4G是一种超高速无线网络一种不需要电缆的信息超级高速公路。这样在有限的频谱资源上实现高速率以及大容量,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以及天线发送功率的情况下可以成倍地进步信道容量。OFDM技术是多载波传输的一种其多载波之间互相正交,可以高效地利用频谱资源另外OFDM将总带宽分割为假设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挪动

3、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。二、MIMO技术MIMOMultiple-InputMultiple-Output系统示意图如图1所示该技术最早是由Marconi于1908年度提出的它利用多天线来抑制信道衰落。MIMO技术是指在发射端以及接收端分别设置多副发射天线以及接收天线其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量如过失率或者进步通信效率如数据速率。MIMO技术本质上是为系统提供空间复用增益以及空间分集增益空间复用技术可以大大进步信道容量而空间分集那么可以进步信道的可靠性降低信道误码率。通常多径要引起衰落因此被视为有害因素然而对于MIMO

4、来讲多径可以作为一个有利因素加以利用MIMO技术的关键是可以将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素MIMO技术有效地利用随机衰落以及可能存在的多径传播来成倍地进步业务传输速率因此它可以在不增加所占用的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。假定发送端有N个发送天线有M个接收天线在收发天线之间形成MN信道矩阵H在某一时刻t信道矩阵为其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。对于信道矩阵参数确定的MIMO信道假定发送端不知道信道信息总的发送功率为与发送天线的数量M无关接收端的噪声用N1向量n表示是独立零均值高斯复变量各个接收天线的噪声功率均为发送功率平均分配

5、到每一个发送天线上那么容量公式为令M不变增大N使得这时可以得到容量的近似表达式从上式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。也就是讲可以利用MIMO信道成倍地进步无线信道容量在不增加带宽以及天线发送功率的情况下频谱利用率可以成倍地进步。利用MIMO技术可以成倍进步信道的容量同时可以以进步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。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以及时间上的编码实现一定的空间分集以及时间分集进而降低信道误码率。图1MIMO系统框图

6、三、OFDM技术根据多径信道在频域中表现出来的频率选择性衰落特性提出正交频分复用的调制技术。如图2所示正交频分复用的根本原理是把高速的数据流通过串并变换分配到传输速率相对较低的假设干子信道中进展传输在频域内将信道划分为假设干相互正交的子信道每个子信道均拥有自己的载波分别进展调制信号通过各个子信道独立传输。假如每个子信道的带宽被划分得足够窄每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的即每个子信道都可看作无符号间干扰ISI的理想信道这样在接收端不需要使用复杂的信道平衡技术即可对接收信号可靠地解调。在OFDM系统中在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性消除OFDM符号之间的干扰。但是

7、要注意在发送端实际发送1个OFDM时域序列的长度为NdNcNd是一个OFDM符号可以传送的频域符号数加在前面长度为Nc的序列称为循环前缀CyclicPrefix或者防护间隔GuardInterval利用它使得前OFDM符号对当前OFDM符号的干扰只影响到循环前缀局部不会对当前OFDM符号造成影响这就有效地消除了OFDM符号之间的干扰ISI。引入循环前缀会使系统的传输效率有所下降但这是为保证OFDM子载波之间的正交性以及消除OFDM符号间干扰所必须付出的代价。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

8、重要。OFDM信号的相邻子载波互相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才能强由于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进而减弱多径传播的影响假设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到达最大比特率。通过选取各子信道每个符号的比特数和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那么。4通过各子载波的结合编码可具有很强的抗衰落才能。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集假如衰

9、落不是十分严重就没有必要再加时域平衡器。但通过将各个信道结合编码可以使系统性能得到进步。5基于离散傅立叶变换DFT的OFDM有快速算法OFDM采用IFFT以及FFT来实现调制以及解调易用DSP实现。图2OFDM系统框图四、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讲MIMO可以抗多径衰落但是对于频率选择性深衰落MIMO系统仍然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用平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进步频谱利用率的作用毕竟是有限的在OFDM的根底上合理开

10、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由于码率低以及参加了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰才能。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。点击查看大图图3MIMO-OFDM系统框图在本方案中的数据进展两次串并转换首先将数据分成N个并行数据流将这N个数据流中的第nn1N个数据流进展第二次串并转换成L个并行数据流分别对应L个子载波将这L个并行数据流进展IFFT变换将信号从频域转换到时域然

11、后从第nn1N个天线上发送出去。这样共有NL个M-QAM符号被发送。整个MIMO系统假定具有N个发送天线M个接收天线。在接收端第mm1M个天线接收到的第l个子载波的接收信号为其中Hm,n,l是第l个子载波频率上的从第n个发送天线到第m个接收天线之间的信道矩阵并且假定该信道矩阵在接收端是已知的Cn,l是第个子载波频率上的从第n个发送天线发送的符号m,l是第l个子载波频率上的从第m个接收天线接收到的高斯白噪声。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算法进展解译码重复进展L次以后NL个M-QAM符号可以被恢复。4.1MIMO-OFDM的信道估计在一个传输分集的OFDM

12、系统中只有在收端有很好的信道信息时空时码才能进展有效的解码。估计信道参数的难度在于对于每一个天线每一个子载波都对应多个信道参数。但好在对于不同的子载波同一空分信道的参数是相关的。根据这一相关性可以得到参数的估计方法。MIMO-OFDM系统信道估计方法一般有三种非盲信道估计、盲信道估计以及半盲信道估计。下面分别对这三种信道估计方法进展简单介绍。4.1.1非盲信道估计非盲信道估计是通过在发送端发送导频信号或者训练序列接收端根据所接收的信号估计出导频处或者训练序列处的信道参数然后根据导频或者训练序列处的信道参数得到数据信号处的信道参数。当信道为时变信道时即使是慢时变信道也必须周期性的发射训练序列以便

13、及时更新信道估计。这类方法的好处是估计误差小收敛速度快缺乏是由于发送导频或者训练序列而浪费了一定的系统资源。4.1.2盲信道估计盲信道估计是利用信道的输出和与输入有关的统计信息在无需知道导频或者训练序列的情况下估计信道参数。其好处是传输效率高缺乏是鲁棒性相对较差、收敛速度慢而且运算量较大。4.1.3半盲信道估计半盲信道估计是在盲信道估计的根底上开展起来的它利用尽量少的导频信号或者训练序列来确定盲信道估计算法所需的初始值然后利用盲信道估计算法进展跟踪、优化获得信道参数。由于盲信道算法运算复杂度较高目前还存在很多问题难以实用化。而半盲信道估计算法有望在非盲算法以及盲算法的根底上进展折衷处理进而降低

14、运算复杂度。可以预计对盲及半盲信道估计的研究将成为MIMO-OFDM信道估计研究的热点。五、完毕语在将来的宽带无线通信系统中存在两个最严峻的挑战多径衰落信道以及带宽效率。OFDM将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道减小了多径衰落的影响而MIMO技术可以在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流这样就有效地进步了系统的传输速率即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样将OFDM以及MIMO两种技术相结合就能到达两种效果一种是实现很高的传输速率另一种是通过分集实现很强的可靠性同时在MIMO-OFDM中参加适宜的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。MIMO-FDM技术是OFDM与MIMO技术结合形成的新技术通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集进步了信号质量充分利用了时间、频率以及空间3种分集技术大大增加了无线系统对噪声、干扰、多径的容限。因此基于OFDM的MIMO系统具有逼近极限的系统容量以及良好的抗衰落特性可以预见它将是下一代网络采用的核心技术。wfz_579