无线网络中的OFDM与MIMO技术的融合

胡成伟

【摘要】 OFDM技术作为无线环境的高速传输技术，实现在给定信道内使用若干正交子载波进行调制传输，频谱相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。而MIMO技术作为目前最常见的无线技术之一，同时也是802.11N产品标志性的技术之一，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。从而进一步提高无线通信系统容量，提高了数据速率。OFDM与MIMO的融合，将在OFDM基础上更加合理的开发了空间资源，可以提供更高的数据速率，改善系统性能。使得MIMO系统在频率选择性衰落信道中也能发挥作用。因此，两者的融合必然在下一代无线网络通信系统中扮演越来越重要的角色。

【关键词】 OFDM技术 MIMO技术 OFDM与MIMO的融合

一、引言

无线通信作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越大。近年来，无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能、速度与传统以太网相比还有一定距离，因此，如何提高无线网络的性能和容量日益显得重要。在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，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和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。OFDM技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源，另外，OFDM将总带宽分割为若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移动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、OFDM技术

OFDM（正交频分复用技术）是一种无线环境下的高速传输技术。众所周知，无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。（如图1）

OFDM将频率选择性信道划分为一组平衰落的子信道并行传输数据，从而有效地减小了信道时延扩展的影响，OFDM的各子载波信道的频谱相互重叠，且每个子信道频域响应的峰值点恰为其它子信道频域响应的零点，因而既保证了子载波的正交性，也充分利用了频谱资源。同时，OFDM可利用FFT/IFFT快速高效的实现调制解调。可以根据信道特性自适应地进行各子载波上的功率分配以及选择不同的调制方式，充分利用条件好的子信道以提高系统性能。

另一方面，与单载波系统相比，OFDM对频率偏差更加敏感。无线信道的时變性造成的多普勒频移，或者发射机和接收机本地振荡器的频率偏差都会破坏子载波的正交性，从而导致ICI。OFDM还存在较高的峰值平均功率比，这是由于OFDM的输出信号由多个子信道上的信号叠加而成，当这些信号的相位一致时，输出信号的瞬时功率会远远大于平均功率。高峰均比对发射机内的线性放大器提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号幅度的变化，就会造成信号波形和频谱的畸变，因而破坏子载波的正交性。

三、MIMO技术

多进多出（MIMO）系统是利用多天线来抑制信道衰落。该系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图2所示为MIMO系统的原理图。传输信息流s（k）经过空时编码形成N个信息子流ci（k），I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理，特别是当这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的构筑多条相互独立的通道，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可实现高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。（如图2）

对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=[min（M，N）] Blog2（ρ/2） 其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min（M，N）为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。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。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。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和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。

四、OFDM-MIMO融合

从以上分析我们可以看出MIMO和OFDM在各自的应用领域有各自的优点，MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍是无能为力，现在一般采用均衡技术来解决MIMO系统中的频率选择性衰落。OFDM被认为是下一代移动通信中的核心技术。4G需要高的频谱利用率的技术，但OFDM提高频谱利用率的能力毕竟有限。如果结合MIMO技术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。MIMO+OFDM技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性，如果把合适的数字信号处理技术应用到MIMO+OFDM系统中能更好的增强系统的稳定性。另外，OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力。多径时延小于保护间隔使系统不受码间干扰的影响。这样就可以使单频网络使用宽带OFDM系统依靠MIMO技术消除阴影效应。

MIMO-OFDM系统采用Nt个发送天线，Nr个接收天线，在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时衰落。输入的比特流经串并变换分为多个分支，每个分支都进行OFDM处理，即经过编码、交织、QAM映射、插入导频信号、IDFT变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无线信道中；接收端进行与发射端相反的信号处理过程，例如：去除循环前缀、DFT变换、解码等等，同时进行信道估计、定时、同步、MIMO检测等技术，来完全恢复原来的比特流。

五、结束语

MIMO技术和OFDM技术在各自的领域都发挥了巨大的作用，目前将MIMO与OFDM相结合并应用到下一代无线局域网中，是无线通信的一个研究热点，将使无线局域网向着更高速率、更大容量、更好性能的方向发展。

参 考 文 献

[1] IEEE802.11Part11， Wireless LAN Medium Access Control（MAC）andPhysicalLayer （PHY） Specifications [S].

[2]”Data and Computer Communications”William Hall Published by Prentice Hall

[3]《移动无线通信（英文版）--国外电子通信教材》 （美）施瓦茨（SchwartZ 电子工业出版社

[4]佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用 [M]. 北京：人民邮电出版社， 2003.