宽带无线通信中的MIMO-OFDM技术的探讨论文_尹蕾

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摘要：随着无线通信系统的发展，在未来，系统信道可以选择为时间-频率选择性衰落频道，保证数据传输业务高速、可靠的同时，将成本降低。业界认为，未来移动通信系统中，MIMO-OFDM系统为最有可能被采用的技术方案，但在实际应用时，不仅要深入研究MIMO-OFDM系统的特性，还需要对信号处理中更为有效的算法进行研究与开发，基于此，本文中重点探讨了宽带无线通信中的MIMO-OFDM技术。

关键词：宽带无线通信；MIMO-OFDM技术；信道估计

前言：随着人们使用无线通信网络频率的提升，人们对无线通信系统传输速率的要求也不断提高，3G通信技术所能提供的服务质量及需求已经不能完全的满足人们的需求，由此促使4G通信技术的产生，并逐渐的向着5G技术演进。MIMO-OFDM技术为多入多出（MIMO）技术与正交频分复用（OFDM）技术结合而来，未来的无线通信系统中，应用该项技术后，可有效的提升系统性能，为用户提供更为优质的宽带无线通信服务。

一、MIMO-OFDM技术概述

在宽带MIMO系统应用的过程中，存在频率选择衰落现象，由此导致码间串扰问题产生，该问题即为宽带MIMO系统所面临的主要问题。目前，宽带MIMO系统在决绝此问题时，可选择的方案有两种，一种为空时均衡方案，一种为OFDM调制方案。多径会对MIMO系统产生影响，此种影响的对抗需MIMO均衡作用，均衡后，平坦衰落信道所接收到的信号即可等效为其所接收到的信号，由此，宽带系统中可直接应用MIMO编码系统。研究空时均衡器时，线性MIMO均衡、空时Turbo均衡等均为研究的内容。

MIMO系统采用OFDM调制时，即为MIMO-OFDM系统，在该系统中，MIMO信道由原来的宽带转化为窄带，并增加窄带MIMO系统的数量，实现此种转化时，利用数字信号处理技术即可，有效的减少了运算量，设计接收机时也比较简化（见图1）[1]。MIMO-OFDM系统结合了MIMO信道容量特性、OFDM接收机简化特性，具有频谱效率高、数据速率快、小区覆盖范围大等优点。

图1 MIMO-OFDM系统接收机框图

MIMO-OFDM系统的信道选择为时变频率选择性衰落信道时，其信号模型如下：在系统发射端中，OFDM信号为第n个时，循环前缀加入后，时域信号则可通过载波数、IFFT的输出信号表示出来。实际上，时域信号，其中，第q支路频域经过编码器时，为其输出的信号，并通过第k载波传送，第k载波位于第q发射天线，而第n个OFDM符号内为第q发射天线所在位置[2]。

二、基于导频符号辅助的MIMO-OFMD系统信道估计技术

（一）基于PSA的信道估计技术

基于导频辅助信道估计技术为SISO-OFDM系统中广泛使用的技术，而在MIMO-OFDM系统中，推广PSA技术也具备可行性。MIMO-OFDM系统信道估计采用PSA技术时，选择及插入发射端导频符号、导频位置信道信息在接收端的估计及每个时刻和频率信道状态信息的恢复为面临的两个重要的问题。OFDM系统信道估计基于导频符号辅助技术的方案见图2，而在MIMO-OFDM系统的信道估计中，时域FIR信道阶数、空频编码系统的特性等都需要考虑，基于此，信道估计是选择的方案为矩形导频图案、时域插值。

图2 OFDM系统信道估计基于导频符号辅助技术方案

MIMO-OFDM系统中，SISO信道占用的频率及时间全部相同时，如果MIMO系统要应用其二维矩形导频图案，全部发射天线导频信号均需要保证正交性。由MIMI-OFMD系统矩形导频图案（见图3）图可知，导频子载波使用在任意发射天线中，导频信号传输过程中，任何信号均不能在其他天线相应的载波中传输[3]。以某个发射天线为例，通过其导频载波序号可以发现，在本质上，MIMO-OFDM系统所采用的信道估计方案仍然为SISO-OFDM系统所采用的，即发射天线数增长时，频谱效率损失也随之线性增长。

图3 MIMI-OFMD系统矩形导频图案

（二）基于参考导频符号辅助的信道评估技术

MIMO-OFDM系统信道估计采用PSA技术时，较长的译码延迟时间、信道恶化最严重时两项问题需要重视。以信道恶化最严重时问题为例，带宽为5MHz时，N为1024，Ng的值为40，考虑延迟时间，将设置8μs，多普勒扩展参数设置的最大值（）为200Hz，在此种系统中，经过分析与计算可知，频谱效率损失（）的值应该为MT/24，当MT的值为4时，为17%[3]。发射天线导频信号正交性是必须要保证的，而发射天线数量与频率效率之间呈线性正相关，因此，发射天线数量越多时，的值就越大。基于此，设计了空时频三维导频图案（见图4），分诊数据传送较为适合此种导频图案，在此种图案中，正整数个OFDM符号包含在发射天线的每一帧中，帧内，训练OFDM符号为第一个符号，那么数据传输OFDM符号既有OFDM符号总数量-1个。为了将频率效率损失降低，同时，空频码全速率特性充分考虑前提下，参考导频符号传送时，发射天线采用相同子载波。

图4 MIMO-OFDM系统的空时频三维导频图案

基于参考导频符号辅助的信道评估技术是一种自适应信道追踪技术，此种技术中，分解MIMO信道，变为MISO信道，在已知参考导频符号的辅助下，信道估计时，利用相应频域接收信号进行自适应调整，之后频域信道估计再由FFT获取。在一个OFDM符号期间中，假设信道保持不变，那么在不同的OFDM符号间，信道变化具有连续性，可见，OFDM符号可自适应调整，以适应不同的接收天线。

（三）时变信道估计计算机仿真

利用计算机仿真上述方案，仿真时，以纯Rayleigh衰落宽带信道作为仿真信道，多径时延最大值为4μs。带宽为5MHz，中心频率为2.15GHz，1024为载波数，30采样点为保护间隔，天线配置为2，链路为下行，天线发射间距及接收间距分别为4倍波长和1/2波长，QPSK为16状态，并定义信噪比及其与信道估计之间的误差公式。仿真过程中，分别于60km/h、120km/h作为运动速度，第一种运动速度时，多普勒频移为120Hz，第二种时，多普勒频移为240Hz。时变信道估计时，分别采用PSA-插值法、LMS算法及RLS算法，经计算可知，BER性能并无显著差异，但从译码延迟时间来看，LMS算法与RLS算法更小，周期约为1个OFDM符号，见图5。

图5 PSA-插值法、LMS算法、RLS算法BER性能比较

结论：将MIMO-OFDM系统应用于宽带无线通信系统中时，信道估计是所采用的算法为关键性的问题，采用LMS算法和RLS算法时，可减少信道估计时的误码率，提高信道估计的准确性，从而提升宽带无线通信系统的性能，提升系统的服务质量，良好的满足用户的宽带需求。在未来无线通信系统中，MIMO-OFDM技术将会具有十分重要的作用，应用前景十分广阔。

参考文献：

[1]石鑫，李昊.无线MIMO-OFDM通信系统原理及其关键技术[J].国外电子测量技术，2010，（02）：32-35.

[2]陈珊珊，刘广亚，姚善化.MIMO-OFDM技术在矿井无线通信系统中的应用[J].煤矿机械，2013，（03）：223-224.

[3]邓何勤.无线高速宽带网络MIMO-OFDM技术研究[J].通信与信息技术，2012，（01）：58-60.

[4]杜文凤，王亚光.基于Matlab的MIMO-OFDM系统信道容量的研究[J].软件，2011，（02）：53-55.

论文作者:尹蕾

论文发表刊物:《基层建设》2016年18期

论文发表时间:2016/11/22

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