4G中的MIMO—OFDM原理及關(guān)鍵技術(shù)解析

黎碧霞

【摘 要】4G移動(dòng)通信是往代通信的技術(shù)進(jìn)步，4G移動(dòng)通信中所涉及的重要技術(shù)有OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)以及MIMO-OFDM技術(shù)相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)。技術(shù)專利的分布和發(fā)展應(yīng)用就是MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)的完美結(jié)合，使得4G移動(dòng)通信能夠有效對(duì)抗頻率選擇性衰落問(wèn)題、提高數(shù)據(jù)傳輸速率、還能增大系統(tǒng)容量。

【關(guān)鍵詞】MIMO -OFDM原理；關(guān)鍵技術(shù)；4G

0 前言

近年，我們的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)在不斷地更新?lián)Q代，由原來(lái)的2G網(wǎng)絡(luò)逐漸發(fā)展到4G網(wǎng)絡(luò)，這既要?dú)w功于移動(dòng)公司的推廣，又要?dú)w功于網(wǎng)絡(luò)研發(fā)工作者的辛勤工作。雖然4G移動(dòng)通信在描繪高速的數(shù)據(jù)傳輸，提供從語(yǔ)音到多媒體業(yè)務(wù)豐富業(yè)務(wù)美好前景，但是隨著4G網(wǎng)絡(luò)的不斷推廣，單一的MIMO技術(shù)或單一的OFDM技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，這就需要我們將MIMO-OFDM技術(shù)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成4G網(wǎng)絡(luò)的核心。

1 MIMO-OFDM原理

1.1 MIMO技術(shù)原理

首先，MIMO技術(shù)原理在移動(dòng)通信工程中的運(yùn)用并不是近幾年才提出的，所以對(duì)該技術(shù)的接受程度還是良性的。MIMO技術(shù)原理就是將已經(jīng)存在的多徑傳播和隨機(jī)衰弱進(jìn)行高效率的重新利用，達(dá)到更好的傳輸速度和效率。MIMO的中文名稱就是多輸入和多輸出，所以顧名思義就是通過(guò)對(duì)多天線的控制來(lái)減少信道衰弱問(wèn)題的發(fā)生。多并行的天線空間信道能夠進(jìn)行同時(shí)的發(fā)送和接收，就能夠在不同的環(huán)境中，針對(duì)不同的用戶，都提供最完美的技術(shù)體驗(yàn)。

1.2 OFDM技術(shù)原理

頻分復(fù)用、多載波并行傳輸?shù)韧ㄐ偶夹g(shù)概念是在上個(gè)世紀(jì)50年代末中就予以提出的，所以O(shè)FDM的技術(shù)也是在不斷發(fā)展的過(guò)程中，應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域、環(huán)節(jié)，也在移動(dòng)通信中得以普及和成熟的。OFDM技術(shù)從發(fā)展及應(yīng)用角度上，大致可分為五個(gè)階段：極低頻譜效率的頻率復(fù)用階段，最早的高頻譜效率的多載波通信系統(tǒng)階段，多載波理論發(fā)展階段，無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)理論形成階段，從理論到實(shí)用階段。

1.3 MIMO-OFDM技術(shù)結(jié)合的原理

MIMO-OFDM技術(shù)的結(jié)合就是當(dāng)代4G移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，更是解決了無(wú)線信道頻率的選擇性問(wèn)題。作為核心領(lǐng)域，MIMO-OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括信道估計(jì)，同步技術(shù)，空時(shí)處理技術(shù)，分集技術(shù)等。MIMO-OFDM技術(shù)結(jié)合的原理就是，先利用MIMO技術(shù)的多天線設(shè)備優(yōu)勢(shì)的多輸入和多輸出，進(jìn)行對(duì)信號(hào)OFDM的接收，然后專用OFDM進(jìn)行時(shí)頻同步處理，緊接著去掉相應(yīng)的CP，還有對(duì)OFDM進(jìn)行解調(diào)環(huán)節(jié)，最后根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)解碼，恢復(fù)出接收比特流。

2 4G中的MIMO-OFDM同步問(wèn)題的研究

2.1 MIMO-OFDM同步問(wèn)題

作為第四代移動(dòng)通信的科學(xué)技術(shù)核心，MIMO-OFDM技術(shù)顧名思義是來(lái)自O(shè)FDM技術(shù)和MIMO技術(shù)的完美結(jié)合。MIMO-OFDM技術(shù)是通過(guò)將時(shí)間，頻率，和空間三種分集技術(shù)進(jìn)行充分的利用后，將各自技術(shù)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，使得無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)噪聲干擾性能增強(qiáng)，對(duì)多徑的容限能力大大增加。MIMO-OFD同步技術(shù)中主要所涉及的同步技術(shù)有載波同步、符號(hào)同步和幀同步三大技術(shù)，這三大技術(shù)之間的嵌合就是形成MIMO-OFDM同步技術(shù)和核心。

2.2 MIMO-OFDM同步研究現(xiàn)狀

就MIMO-OFDM同步研究現(xiàn)狀而言，國(guó)外的研究水平較之國(guó)內(nèi)，相對(duì)較高。美國(guó)的加州大學(xué)、瑞的士聯(lián)邦理工學(xué)院、日本的北海道大學(xué)都在該領(lǐng)域有著自己的研究方向和研究成果。國(guó)內(nèi)MIMO-OFDM同步技術(shù)應(yīng)用的起步較晚，采用該技術(shù)的無(wú)線傳輸平臺(tái)也是為數(shù)不多，所以對(duì)MIMO-OFDM同步技術(shù)的研究相對(duì)落后。兼并國(guó)內(nèi)外的研究水平來(lái)看，MIMO-OFDM同步技術(shù)還是存在諸多問(wèn)題的，普遍存在的有MIMO-OFDM運(yùn)用于商業(yè)化的平臺(tái)時(shí)，雖然是功能強(qiáng)大，但是因?yàn)閺?fù)雜度高，導(dǎo)致靈活性差；MIMO-OFDM運(yùn)用于演示平臺(tái)，因?yàn)橹会槍?duì)特定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)特定的功能，導(dǎo)致難以應(yīng)對(duì)各層次人士的應(yīng)用需要，受到限制。

2.3 MIMO-OFDM同步方式

MIMO-OFDM的同步方式是當(dāng)各個(gè)接收天線收到對(duì)應(yīng)的OFDM符號(hào)信號(hào)后，對(duì)其設(shè)置時(shí)頻的同步處理，去掉對(duì)應(yīng)的CP，再對(duì)其 OFDM進(jìn)行解調(diào)，然后再對(duì)其進(jìn)行解碼，這時(shí)就要依據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果，恢復(fù)并且接收比特流。MIMO 系統(tǒng)對(duì)于頻率選擇性衰落無(wú)能為力，OFDM又在提高系統(tǒng)容量的能力有限，所以構(gòu)建MIMO-OFDM的同步技術(shù)還是需要實(shí)現(xiàn)諸如同步、空時(shí)處理技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制和編碼、信道估計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

3 MIMO-OFDM的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信道估計(jì)技術(shù)

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，最顯著的兩大特征就是多徑性和時(shí)變性。準(zhǔn)備的信道估計(jì)技術(shù)非常重要的體現(xiàn)在空時(shí)編碼過(guò)程中，必須要在接收端保證能夠?qū)π诺捞匦赃M(jìn)行完全掌握。[2]就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，信道估計(jì)技術(shù)主要分為基于訓(xùn)練序列或?qū)ьl的方法和用盲方法來(lái)進(jìn)行信道辨別，分為全盲和半盲信道估計(jì)，前者使用的是已知訓(xùn)練序列估計(jì)均衡器系數(shù)，后者直接對(duì)均衡器系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，所以兩種信道估計(jì)技術(shù)各有優(yōu)劣。信道估計(jì)技術(shù)仍然在不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，找出影響信道估計(jì)的關(guān)鍵因素，將各類影響因素運(yùn)用到模擬信道中，通過(guò)與實(shí)際的真實(shí)信道進(jìn)行的對(duì)比結(jié)果，改進(jìn)了信道估計(jì)的算法。信道估計(jì)技術(shù)在提及到MIMO-OFDM技術(shù)后的首要反應(yīng)技術(shù)。

3.2 空時(shí)信號(hào)處理技術(shù)

在MIMO-OFDM同步技術(shù)中，時(shí)空信號(hào)處理技術(shù)的存在地位可想而知。時(shí)空信號(hào)處理技術(shù)就是在對(duì)相應(yīng)信號(hào)的實(shí)部或者虛部進(jìn)行取反操作，之后將其輸出結(jié)果被映射到不同的發(fā)送天線發(fā)送出去。時(shí)空信號(hào)處理技術(shù)與傳統(tǒng)的無(wú)線通信信號(hào)的處理方式對(duì)比，最大的優(yōu)勢(shì)就是可以突破性的從時(shí)間和空間兩方面同時(shí)研究信號(hào)進(jìn)行處理意見(jiàn)分析。目前，在時(shí)空信號(hào)處理技術(shù)中常用的空時(shí)編譯碼有分層空時(shí)碼、空時(shí)格形碼、空時(shí)分組碼和空時(shí)頻編碼這四種編碼。

3.3 分級(jí)技術(shù)

分級(jí)技術(shù)也被稱之為分集技術(shù)，在傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)中，表現(xiàn)出來(lái)的不可靠性就是因?yàn)榉旨?jí)技術(shù)的不成熟。[1]無(wú)線衰落信道時(shí)變和多徑特性引起的系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑等因素的抗性降低的現(xiàn)象就是分級(jí)技術(shù)所需要迫切解決的問(wèn)題。MIMO-OFDM的同步技術(shù)就是在不增加功率和不犧牲帶寬的情況下，減少多徑衰落對(duì)基站和移動(dòng)臺(tái)的影響的技術(shù)保障。分級(jí)技術(shù)還能有效的保障無(wú)線頻率使用的有效性，以前相同數(shù)量的無(wú)線頻譜開(kāi)展更多的實(shí)際應(yīng)用。

3.4 同步技術(shù)

MIMO-OFDM系統(tǒng)同步問(wèn)題包括載波同步、符號(hào)同步和幀同步這三大同步問(wèn)題。載波同步致力于子載波間的正交性，避免輸出信號(hào)幅度衰減及信號(hào)相位旋轉(zhuǎn)等問(wèn)題的產(chǎn)生；符號(hào)同步和幀同步與載波同步密切相關(guān)的后續(xù)同步技術(shù)，接收端選擇信噪比最高的天線信號(hào)進(jìn)行頓檢測(cè)和后續(xù)的同步。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)移動(dòng)通信的技術(shù)、性能等方面都相應(yīng)的提出了新的要求，提供了新的市場(chǎng)。傳統(tǒng)的有線通信模式已經(jīng)在可靠性、可用性、抗毀性等很多方面出現(xiàn)了漏洞，所以應(yīng)運(yùn)新生的現(xiàn)代無(wú)線通信就突出的表現(xiàn)出在特殊環(huán)境、地貌中，不受限制的優(yōu)越性。MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，將這兩者結(jié)合起來(lái)會(huì)發(fā)揮更大的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]白潔，張健華.“MIMO OFDM 系統(tǒng)定時(shí)與多徑時(shí)延估計(jì)”[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，10，28（5）.

[2]陳宏.MIMO- OFDM系統(tǒng)原理及其關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)無(wú)線電，2013（10）：57-62.

[責(zé)任編輯：湯靜]