MIMO—OFDM信道及其信號檢測算法研究

摘 要：本文主要對MIMO-OFDM系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、信道估計(jì)及信號檢測的研究意義等做了簡單的介紹，另外，也對現(xiàn)有的信道估計(jì)與信號檢測算法做了簡單分析，得出其各自的優(yōu)勢與劣勢，并提出新的改進(jìn)算法。

關(guān)鍵詞：MIMO-OFDM；信道估計(jì)；檢測算法

隨著移動通信的迅猛發(fā)展，特別是4G時(shí)代的到了，人們對無線通信的需求已不再停留在是否能夠提供有效的語音與數(shù)據(jù)信息，而是是否能夠有效、可靠、高速地提供這些業(yè)務(wù)，對于這些苛刻的要求，移動通信人一直在努力的實(shí)現(xiàn)，無論是以前的GSM，還是20世紀(jì)末的CDMA2000，或是現(xiàn)在的TLE，通信研究人員一直都在提速的路上。最終，移動通信系統(tǒng)要達(dá)到的目標(biāo)是——無論你在什么時(shí)間，無論你在什么地點(diǎn)，都能夠暢通無阻地與任何人實(shí)現(xiàn)智能通信，使未來移動通信進(jìn)入個(gè)人通信的時(shí)代。

一、MIMO-OFDM的研究現(xiàn)狀

1.MIMO技術(shù)的研究現(xiàn)狀

利用MIMO提高信號傳輸性能的思想可以追溯到馬可尼時(shí)代，1901 年馬可尼通過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)研究出較長距離傳送無線電波的設(shè)備——四個(gè)61米高的天線塔構(gòu)成陣列，并于1901年12月12日到達(dá)了傳輸極限，從英格蘭德康沃爾到加拿大紐芬蘭的信號山。在20世紀(jì)70年代MIMO技術(shù)才被引入到傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中來，而在20世紀(jì)80年代，J.H.Winers等人開始研究有關(guān)分集發(fā)射與接收和信道容量的相關(guān)問題。到了1994年，Paulraj和Kailath等人提出在發(fā)射端同時(shí)使用多天線能夠增加無線信道容量的理論，在1995年E.Telatar等人又推導(dǎo)出了多天線高斯信道的容量理論公式，然而隨著BLAST算法和空時(shí)編碼的提出， MIMO技術(shù)的理論研究就隨著移動通信的發(fā)展大量涌現(xiàn)。

目前，國內(nèi)外大量的通信人員都致力于MIMO技術(shù)的研究。并且在MIMO技術(shù)的很多方面已獲得了大量的研究成果，但是由于無線移動通信信道是一個(gè)時(shí)變、非平穩(wěn)、稀疏的多入多出信道類型，其研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于以上的研究成果?，F(xiàn)有的許多文獻(xiàn)大都假設(shè)無線通信信道為分段的恒定平穩(wěn)衰落信道，而這種假設(shè)對于高速率、高帶寬的4G系統(tǒng)以及室外高速移動系統(tǒng)來說是不切實(shí)際的，因此必須對MIMO信道模型進(jìn)行更深更細(xì)的研究。另外，在現(xiàn)有的理論研究中，全都設(shè)定接收端對通信系統(tǒng)的傳輸參數(shù)是已知的，因此，需要在發(fā)射端的發(fā)射信號中嵌入一定的導(dǎo)頻序列來對接收機(jī)進(jìn)行反饋訓(xùn)練。但是若移動臺的速度過快，這就使得接收端的訓(xùn)練時(shí)間過短，對接收端來說，信道的估計(jì)性能就會下降，信號的檢測性能也會隨之下降，信號的恢復(fù)就不會很理想。因此，快速時(shí)變的信道估計(jì)技術(shù)或盲處理技術(shù)就成為以后研究的重要內(nèi)容。

另外，現(xiàn)實(shí)的通信系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的關(guān)鍵內(nèi)容，因?yàn)閷?shí)際的通信系統(tǒng)是要在移動臺端實(shí)現(xiàn)多路的分集接收，大量的通信研究人員也正致力于這方面的研究。

2.OFDM技術(shù)的研究現(xiàn)狀

在OFDM技術(shù)中，通常一個(gè)寬帶信號首先被分成多個(gè)并行的窄帶信號，然后再用多個(gè)正交的子載波對窄帶信號進(jìn)行調(diào)制，之后由發(fā)射機(jī)發(fā)射出去在信道中傳輸，而接收端對信號進(jìn)行接收檢測與恢復(fù)。正如上面所講，OFDM技術(shù)獨(dú)有特性讓它在小尺度衰落信道中獨(dú)放異彩。OFDM技術(shù)利用其正交特性可以把小尺度衰落信道轉(zhuǎn)化成多個(gè)并行傳輸?shù)钠教顾ヂ湫诺溃@樣在接收端，就極大的降低了接收機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，節(jié)省了成本。

另外，OFDM技術(shù)中由于應(yīng)用了DSP技術(shù)，才使得各子信道之間能夠相互正交，從而保證了各個(gè)子信道間的頻帶資源可以相互重疊且不出現(xiàn)ISI，這樣就有效地提高了頻譜資源的整體利用率，為更高速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)提高了技術(shù)基礎(chǔ)。

二、MIMO-OFDM信道估計(jì)與信號檢測算法的研究現(xiàn)狀

1.MIMO-OFDM信道估計(jì)算法研究現(xiàn)狀

目前，MIMO-OFDM信道估計(jì)技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。信道估計(jì)算法大致分為三大類：即盲信道估計(jì)、非盲信道估計(jì)及兩者結(jié)合的半盲信道估計(jì)算法。盲信道估計(jì)由于其算法復(fù)雜度高，時(shí)延較大的劣勢不適應(yīng)于實(shí)際系統(tǒng)中。而非盲和半盲信道估計(jì)方法，通過插入的導(dǎo)頻信息，能夠較好地獲得信道的估計(jì)性能，此類算法在現(xiàn)實(shí)的MIMO-OFDM系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。從信道估計(jì)實(shí)現(xiàn)的方法上來講，非盲信道估計(jì)方法又可分為頻域?qū)崿F(xiàn)和變換域?qū)崿F(xiàn)。在頻域?qū)崿F(xiàn)中，主要的方法包括LS估計(jì)、ZF估計(jì)和LMMSE估計(jì)。而在變換域?qū)崿F(xiàn)中，主要的方法有基于離散傅立葉變換的信道估計(jì)方法。另外還有基于二維導(dǎo)頻信道估計(jì)算法、維納濾波內(nèi)插算法、基于正交疊加訓(xùn)練序列的時(shí)域信道估計(jì)算法、基于離散疊加導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法、基于粒子濾波的MIMO-OFDM信道估計(jì)算法等。以上各種算法在不同的通信場景下有不同的優(yōu)勢。因此，選擇恰當(dāng)?shù)乃惴▽νㄐ畔到y(tǒng)性能的提高至關(guān)重要。

2.MIMO-OFDM信號檢測算法研究現(xiàn)狀

目前，MIMO-OFDM系統(tǒng)中已研究較為成熟的信號檢測算法主要有三類，即ML檢測、線性檢測算法以及非線性檢測算法。最優(yōu)檢測算法主要是指最大似然譯碼（ ML），該算法在一定信噪比條件下有較理想的檢測性能，恢復(fù)出的信號最接近于原始信號且具有較高的信號強(qiáng)度，但其缺點(diǎn)是算法復(fù)雜度隨著天線數(shù)目的增加呈指數(shù)上升，因而在實(shí)際應(yīng)用中得到了限制。線性信號檢測算法主要有迫零（ZF） 檢測和最小均方誤差（ MMSE） 檢測，此類算法是對接收到的信號先進(jìn)行一定的線性加權(quán)，然后在一定準(zhǔn)則下檢測并恢復(fù)出原信號，此類算法的優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)際應(yīng)用中具有較低的算法復(fù)雜度，硬件實(shí)現(xiàn)起來較容易，但其檢測性能較ML算法有明顯的劣勢。非線性檢測算法主要包括球形譯碼檢測算法、廣義球形譯碼算法以及半定松弛檢測算法，此類檢測算法是在接收端對信號進(jìn)行非線性變換，繼而根據(jù)一定的準(zhǔn)則對信號進(jìn)行還原，其與ML算法相比，在算法性能上雖有一定的降低，但是在算法復(fù)雜度方面有很大程度的改善。因而，對次優(yōu)檢測算法的研究是有很大的現(xiàn)實(shí)意義的。

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作者簡介：敖青青（1996-6-），湖北隨州人，本科在讀，就讀于西北民族大學(xué)通信工程專業(yè)。