【文章內(nèi)容簡介】 音廣播都希望降低多徑效應對信號的影響。（5）OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅僅有很小一部分載波會受到干擾。對這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯。（6）可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。（7）通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。（8）OFDM技術(shù)抗窄帶干擾性很強，因為這些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。（9）可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實現(xiàn)方法；（10）信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要；當子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。（baud即波特；1Baud=log2M（bit/s），其中M是信號的編碼級數(shù)）。OFDM技術(shù)的缺點：雖然OFDM有上述優(yōu)點，但是同樣其信號調(diào)制機制也使得OFDM信號在傳輸過程中存在著一些劣勢：（1）對相位噪聲和載波頻偏十分敏感這是OFDM技術(shù)一個致命的缺點，整個OFDM系統(tǒng)對各個子載波之間的正交性要求格外嚴格，任何一點小的載波頻偏都會破壞子載波之間的正交性，引起ICI。同樣，相位噪聲也會導致碼元星座點的旋轉(zhuǎn)、擴散，形成ICI。而單載波系統(tǒng)就沒有這個問題，相位噪聲和載波頻偏僅僅是降低了接收到的信噪比SNR，而不會引起互相之間的干擾。（2）峰均比過大OFDM信號由多個子載波信號組成，這些子載波信號由不同的調(diào)制符號獨立調(diào)制。同傳統(tǒng)的恒包絡的調(diào)制方法相比，OFDM調(diào)制存在一個很高的峰值因子。因為OFDM信號是很多個小信號的總和，這些小信號的相位是由要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列決定的。對某些數(shù)據(jù)，這些小信號可能同相，而在幅度上疊加在一起從而產(chǎn)生很大的瞬時峰值幅度。而峰均比過大，將會增加A/D和D/A的復雜性，而且會降低射頻功率放大器的效率。同時，在發(fā)射端，放大器的最大輸出功率就限制了信號的峰值，這會在OFDM頻段內(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生干擾。（3）所需線性范圍寬由于OFDM系統(tǒng)峰值平均功率比（PAPR）大，對非線性放大更為敏感，故OFDM調(diào)制系統(tǒng)比單載波系統(tǒng)對放大器的線性范圍要求更高[17]。 MIMO技術(shù) MIMO發(fā)展概述實際上多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)由來已久，早在1908年馬可尼就提出用它來抗衰落。在20世紀70年代有人提出將多入多出技術(shù)用于通信系統(tǒng)，但是對無線移動通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動的奠基工作則是上世紀90年代由ATamp。TBell實驗室的學者完成的。1990年代，全世界無線通信領域都針對多天線系統(tǒng)進行研究，希望創(chuàng)作出能指向接收者之波束成型技術(shù)，亦即是所謂智慧型天線——一種能使波束聰明地追蹤接收者（即移動電話）的技術(shù)，如同有個人持著天線到處移動，就像一道自手電筒射出的光束可追蹤一位在黑暗中移動的人一樣。智慧型天線借由波束對其指向（亦即對目標接收者）的相長干涉（constructive interference）及同時間該波束對目標接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference）來增加信號增益，以實現(xiàn)上述智慧型天線的優(yōu)點，并對于此發(fā)送單位上的多天線間，采用較窄的天線間距來實現(xiàn)此波束。一般以發(fā)送信號之一半波長作為實體的天線間距，以滿足空間上的采樣定理且避免旁瓣輻射，亦即空間上的混疊。波束成型技術(shù)的缺點乃是在都市的環(huán)境中，信號容易朝向建筑物或移動的車輛等目標分散，因而模糊其波束的集中特性（即相長干涉），喪失多數(shù)的信號增益及減少干擾的特性。然而此項缺點卻隨著空間分集及空間多工的技術(shù)在1990年代末的發(fā)展，而突然轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢。這些方法利用多徑（multipath propagation）現(xiàn)象來增加數(shù)據(jù)吞吐量、傳送距離，或減少比特錯誤率。這些型態(tài)的系統(tǒng)在選擇實體的天線間距時，通常以大于被發(fā)送信號的波長的距離為實作，以確保 MIMO 頻道間的低關(guān)聯(lián)性及高分集階數(shù)（diversity order）[18。 MIMO技術(shù)研究現(xiàn)狀為了在未來移動通信系統(tǒng)中實現(xiàn)大容量、高速以及提高頻譜利用率的目標，多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的概念應運而生。多輸入多輸出（MIMO）或多發(fā)多收天線（MTMR）技術(shù)在無線移動通信領域的應用是具有革命意義的重大技術(shù)進步，并且被廣泛認為是第三代及未來移動通信系統(tǒng)與個人通信系統(tǒng)實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，提高傳輸質(zhì)量的重要途徑之一。由于該技術(shù)在解決未來無線互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務容量需求瓶頸問題上所具有的優(yōu)勢，因而居于當今技術(shù)進步列表中的重要位置。多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)是基于無線通信分集技術(shù)而發(fā)展起來的，其定義可以簡單描述為在其發(fā)射端和接收端均采用了多天線配置的無線通信系統(tǒng)，所以稱之為MIMO系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)中，在發(fā)送端，串行數(shù)據(jù)符號流在經(jīng)過空時處理后被送到多個發(fā)射天線進行發(fā)射；在接收端通過各種空時檢測技術(shù)進行數(shù)據(jù)符號的恢復。為了保證各個子數(shù)據(jù)符號流能夠被有效地分離，要求各個天線之間必須保持足夠的距離，以防止接收信號之間過大的相關(guān)性[19]。在新一代移動通信系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)的理論、算法和實現(xiàn)等都得到了廣泛的研究。雖然在MIMO系統(tǒng)理論以及性能研究方面已有非常多的研究成果，但是由于無線移動通信中復雜的無線傳播環(huán)境，因此尚有大量問題需要研究。（1）如何在寬帶應用中找到一種具有優(yōu)化的性能及復雜度折中的信號處理方案以實現(xiàn)MIMO帶來的提高頻譜效率的優(yōu)勢。已經(jīng)有不少的文獻對這方面進行了研究，即對信道為頻率選擇性衰落和移動臺快速移動的情況進行了研究。其主要途徑可以分為兩種：l）空時均衡MIMO系統(tǒng)：典型的方法包括線性MIMO均衡、MIMO判決反饋（DF）均衡以及更為復雜的空時Turbo均衡等；2）采用OFDM調(diào)制的MIMO系統(tǒng)，這在本章后面部分會進行相關(guān)敘述。（2）另一個研究的重點就是MIMO信道。目前，MIMO信道模型的建立還沒有成熟，實用中用的較多的MIMO信道模型有ISTMETRA提出的基于空間相關(guān)性的METRA模型，以及3GPP推薦的SCM模型，因此在建立完善的MIMO信道模型中還有大量的工作需要完成。除了信道模型外，在許多文獻中，大都做了這樣的假設：接收機已經(jīng)完全知道信道狀態(tài)參數(shù)，但是在實際系統(tǒng)中，這種情況是不可能出現(xiàn)的，因此，必須通過發(fā)送訓練序列或者采用盲處理的方法，在接收端進行信道估計，這樣快速信道估計和盲信道估計等內(nèi)容就成為重要的研究課題。（3）如果能夠在發(fā)射端事先預知信道的某些信息，那么發(fā)射機就可以利用該信息改善系統(tǒng)性能。例如，在發(fā)射機已知部分信道信息的情況下給出了一種基于線性變換的結(jié)合普通發(fā)射數(shù)字波束形成技術(shù)和正交空時分組碼技術(shù)的MIMO處理結(jié)果，以實現(xiàn)對信道信息的充分利用，于是如何在發(fā)射端獲得信道信息以及利用信道信息就成為了一個研究的熱點。（4）MIMO通過空時編解碼，在發(fā)射端實現(xiàn)了多天線發(fā)射多數(shù)據(jù)流，并在接收端利用多天線接收實現(xiàn)最佳處理，獲得了很高的系統(tǒng)容量?？諘r編解碼將信道編解碼技術(shù)和陣列信號處理技術(shù)相結(jié)合，可以大幅度的提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并且可以有效的抗衰落、抑制噪聲和干擾。目前已經(jīng)有空時網(wǎng)格碼（STTC）、空時分組碼（STBC）、分層空時碼（BLAST）等一些基本的空時編碼方法。新的空時編碼方法，例如空時Turbo碼，正在不斷地提出，以改善MIMO的性能，減少空時編碼系統(tǒng)的復雜性，更好地適應新一代無線通信系統(tǒng)的要求和信道的實際情況[20]。 MIMO原理MIMO表示多輸入多輸出，有時被稱作空間多樣。MIMO（MultipleInput MultipleOutput）。\a\g后全新的無線局域網(wǎng)技術(shù)，速度可達600Mbps。同時。該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。MIMO技術(shù)不僅可以增加既有無線網(wǎng)絡頻譜的資料傳輸速度，而且又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是，還能增加訊號接收距離。所以不少強調(diào)資料傳輸速度與傳輸距離的無線網(wǎng)絡設備，紛紛開始拋開對既有WiFi聯(lián)盟的兼容性要求，而采用MIMO的技術(shù)，推出高傳輸率的無線網(wǎng)絡產(chǎn)品[21]。MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復用。傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號通過不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機端可以獲得數(shù)據(jù)符號多個獨立衰落的復制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線n根接收天線，發(fā)送信號通過n個不同的路徑。如果各個天線之間的衰落是獨立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差概率可以減小到，單天線衰落信道的平均誤差概率為 。對于發(fā)射分集技術(shù)來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。智能天線技術(shù)也是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效的提高天線增益，降低用戶間的干擾。廣義上來說，智能天線技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)。分集技術(shù)主要用來對抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來增加通信中的自由度。從本質(zhì)上來講，如果每對發(fā)送接收天線之間的衰落是獨立的，那么可以產(chǎn)生多個并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流，可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率，這被稱為空間復用。需要特別指出的是在高SNR的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時對于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對之間是獨立均勻分布的瑞利衰落的。根據(jù)子數(shù)據(jù)流與天線之間的對應關(guān)系，空間多路復用系統(tǒng)大致分為三種模式：DBLAST、VBLAST以及TBLAST。其中最基本的形式是針對平衰落信道的VBLAST結(jié)構(gòu)，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。空間復用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益。將空間復用和空時編碼相結(jié)合，能在保證每個數(shù)據(jù)流獲得最小分集增益的條件下，最大化平均數(shù)據(jù)率，從而得到高頻譜效率和傳輸質(zhì)量的良好折中。目前將空間復用和空時編碼相結(jié)合的方案主要有兩種，即鏈接編碼和使用塊碼映射的自適應MIMO系統(tǒng)[22]。 MIMOOFDM系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)在一定程度上可以利用傳播中多徑分量，也就是說MIMO可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)依然是無能為力。目前解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術(shù)，還有一種是利用OFDM。大多數(shù)研究人員認為OFDM技術(shù)是4G的核心技術(shù)，4G需要極高頻譜利用率的技術(shù)，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在OFDM的基礎上合理開發(fā)空間資源，也就是MIMO加OFDM，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外OFDM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡（SFN）可以用于寬帶OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來實現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機組成的發(fā)射機陣列消除陰影效應，來實現(xiàn)完全覆蓋[23]。 MIMO、OFDM系統(tǒng)組合的必要性在高速寬帶無線通信系統(tǒng)中，多徑效應、頻率選擇性衰落和帶寬效率是信號傳輸過程中必須考慮的幾個關(guān)鍵問題。多徑效應會引起信號的衰落，因而被視為有害因素。然而MIMO系統(tǒng)是針對多徑無線信道而產(chǎn)生的，在一定程度上可以利用傳播過程中產(chǎn)生的多徑分量，多徑效應對其影響并不大，反而可以作為一個有利因素加以使用。但MIMO對于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(shù)實質(zhì)上是一種多載波窄帶調(diào)制，可以將寬帶信道轉(zhuǎn)化成若干個平坦的窄帶子信道，每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，所以每個子信道上的頻率選擇性衰落可以看作是平坦性衰落。OFDM被認為是第四代移動通信中的核心技術(shù)，然而4G需要高的頻譜利用技術(shù)和高速傳輸系統(tǒng)，為了進一步提高系統(tǒng)傳輸速率，使用OFDM技術(shù)的無線通信網(wǎng)就必須增加載波的數(shù)量，而這種方法會造成系統(tǒng)復雜度的增加，并增大系統(tǒng)的占用帶寬。而MIMO多天線技術(shù)能在不增加帶寬的情況下，在每一個窄帶平坦子信道上獲得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系統(tǒng)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(shù)。因此MIMOOFDM系統(tǒng)的提出是無線通信領域的重大突破，其頻譜利用率高、信號傳輸穩(wěn)定、高傳輸速率等基本特性能夠滿足下一代無線傳輸網(wǎng)發(fā)展要求。MIMOOFDM系統(tǒng)內(nèi)組合了多輸入和多輸出天線和正交頻分復用調(diào)制兩大關(guān)鍵技術(shù)。這種系統(tǒng)通過空間復用技術(shù)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又可以通過空時分集和正交頻分復用達到很強的可靠性和頻譜利用率[24]。 MIMOOFDM系統(tǒng)模型在典型的MIMOOFDM系統(tǒng)模型中，發(fā)射端（M個發(fā)射天線）工作流程如下：輸入的數(shù)據(jù)符號流經(jīng)串/并電路分成M個子符號流，采用信道編碼技術(shù)對每個符號流進行無失真壓縮并加入冗余信息，調(diào)制器對編碼后的數(shù)據(jù)進行空時調(diào)制；調(diào)制后的信號在IFFT電路中實現(xiàn)OFDM調(diào)制處理，完成將頻域數(shù)據(jù)變換為時域數(shù)據(jù)的過程，然后輸出的每個OFDM符號前加一個循環(huán)前綴以減弱信道延遲擴展產(chǎn)生的影響，每個時隙前加前綴用以定時，這些處理過的OFDM信號流相互平行地傳輸，每一個信號流對應一個指定的發(fā)射天線，并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換及射頻模塊處理后發(fā)射出去。 MIMOOFDM系統(tǒng)模型接收端進行與發(fā)射端相反的信號處理過程，首先通過接收端的M根接收天線接收信號，這些信號經(jīng)過放大、變頻、濾波等射頻處理后，得到基帶模擬接收信號。并分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進行同步，在去循環(huán)前綴后通過FFT解調(diào)剩下的OFDM符號；此時，時延數(shù)據(jù)變換成為頻域數(shù)據(jù)，接下來在頻域內(nèi)，從解調(diào)后的OFDM符號中提取出頻率導頻，然后通過精細的頻率同步和定時，準確地提取出導頻和數(shù)據(jù)符號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)還原。如上說明，IFFT/FFT和循環(huán)前綴的添加和去除過程都在每一個獨立的發(fā)