正交頻分復(fù)用OFDM

1、設(shè)想5G時代會給我們的生活帶來什么變化現(xiàn)在已經(jīng)有很多人預(yù)言將來的5G將是無線移動通信的一場革命，上網(wǎng)速度就不用多說了。3D視覺體驗就成為普通大眾都可以享受的事情，而不再需要去電影院。5G時代首先迎來的將是無線設(shè)備數(shù)量的大爆炸，鏡框、花盆、腰帶、冰箱、魚缸、飯碗、茶杯、沙發(fā)你能見到的東西都有無線通信設(shè)備附件，1平方公里會有上百萬個設(shè)備通過無線的方式加入了互聯(lián)網(wǎng)，平均服務(wù)每個人的無線設(shè)備會有上千個，所有的東西都成為了互聯(lián)網(wǎng)的一部分。即“互聯(lián)所有”。 “設(shè)備互通”也將是5G時代的典型特征，即設(shè)備之間不用人工干預(yù)的互通互聯(lián)互操作。公路和停車場的車輛，它們之間相互通信溝通情況，并幫助車主做出最佳的規(guī)劃。

2、你走在大街上，臨近店鋪自動給你的手機發(fā)廣告(很明顯，有很多人不喜歡這個功能，會有一種隨時都在接收小廣告的感覺)因此，我們的手機自然也會根據(jù)你的個性喜好設(shè)定，智能地選擇把這些小廣告通知給你或自動屏蔽。冰箱與微波爐，空調(diào)與門窗，現(xiàn)實有關(guān)聯(lián)的設(shè)備都在后臺默默地高速通信，并為你營建智能的辦公和家居環(huán)境。就像現(xiàn)在很多科幻電影里面的人工智能管家一樣。路燈、垃圾筒、廣告牌.到處都可能設(shè)置著無線入網(wǎng)的傳感器，并形成了一張全時段多手段的立體監(jiān)控網(wǎng)，比現(xiàn)在大街上的攝像頭要強大得多，這會極大地提高隱匿成本，犯罪后想“大隱隱于市”將不再可能。那我們這些守法公民的隱私呢？5G時代監(jiān)控數(shù)據(jù)的使用將是嚴(yán)格分級的，不相關(guān)人士

3、得不到你的行蹤，信息安全是以用戶為中心的全壽命周期主動防護，不是被動響應(yīng)式和事后補救式，它會在后臺默默地保護著你。OFDMOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實際上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation)，多載波調(diào)制的一種。OFDM技術(shù)由MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調(diào)制）發(fā)展而來。OFDM技術(shù)是多載波傳輸方案的實現(xiàn)方式之一，它的調(diào)制和解調(diào)是分別基于IFFT和FFT來實現(xiàn)的，是實現(xiàn)復(fù)雜度最低、應(yīng)用最廣的一種多載波傳輸方案。在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬

4、通常比傳送一路信號所需的帶寬要寬得多。如果一個信道只傳送一路信號是非常浪費的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復(fù)用的方法。OFDM主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ISI) 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串?dāng)_，而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。OFDM技術(shù)是HPA聯(lián)盟(HomePlug Powerline Alliance)工業(yè)規(guī)

5、范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。基本原理通常的數(shù)字調(diào)制都是在單個載波上進行，如PSK、QAM等。這種單載波的調(diào)制方法易發(fā)生碼間干擾而增加誤碼率，而且在多徑傳播的環(huán)境中因受瑞利衰落的影響而會造成突發(fā)誤碼。若將高速率的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為若干低速率數(shù)據(jù)流，每個低速數(shù)據(jù)流對應(yīng)一個載波進行調(diào)制，組成一個多載波的同時調(diào)制的并行傳輸系統(tǒng)。這樣將總的信號帶寬劃分為N個互不重疊的子通道(頻帶小于f)，N個子通道進行正交頻分多重

6、調(diào)制，就可克服上述單載波串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)的缺陷。在向B3G/4G演進的過程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集，時空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。包括以下類型：V-OFDM, W-OFDM, F-OFDM, MIMO-OFDM,多帶-OFDM。OFDM中的各個載波是相互正交的，每個載波在一個符號時間內(nèi)有整數(shù)個載波周期，每個載波的頻譜零點和相鄰載波的零點重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統(tǒng)的FDMA提高了頻帶利用率。在OFDM傳播過程中，高速信息數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對較低的若干子信道中傳輸，每個子信道中的符號周期

7、相對增加，這樣可減少因無線信道多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的碼間干擾。另外，由于引入保護間隔，在保護間隔大于最大多徑時延擴展的情況下，可以最大限度地消除多徑帶來的符號間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護間隔，還可避免多徑帶來的信道間干擾。在過去的頻分復(fù)用(FDM)系統(tǒng)中，整個帶寬分成N個子頻帶，子頻帶之間不重疊，為了避免子頻帶間相互干擾，頻帶間通常加保護帶寬，但這會使頻譜利用率下降。為了克服這個缺點，OFDM采用N個重疊的子頻帶，子頻帶間正交，因而在接收端無需分離頻譜就可將信號接收下來。OFDM系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是正交的子載波可以利用快速傅利葉變換（FFT/IFFT）實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。對于

8、N點的IFFT運算，需要實施N2次復(fù)數(shù)乘法，而采用常見的基于2的IFFT算法，其復(fù)數(shù)乘法僅為（N/2）log2N，可顯著降低運算復(fù)雜度。在OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端加入保護間隔，主要是為了消除多徑所造成的ISI。其方法是在OFDM符號保護間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴，以保證在FFT周期內(nèi)OFDM符號的時延副本內(nèi)包含的波形周期個數(shù)也是整數(shù)。這樣時延小于保護間隔的信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生ISI。由于OFDM技術(shù)有較強的抗ISI能力以及高頻譜效率，2001年開始應(yīng)用于光通信中，相當(dāng)多的研究表明了該技術(shù)在光通信中的可行性。發(fā)展歷史20世紀(jì)70年代，韋斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人應(yīng)用離散傅里葉變

9、換（DFT）和快速傅里葉方法（FFT）研制了一個完整的多載波傳輸系統(tǒng)，叫做正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案。OFDM應(yīng)用DFT和其逆變換IDFT方法解決了產(chǎn)生多個互相正交的子載波和從子載波中恢復(fù)原信號的問題。這就解決了多載波傳輸系統(tǒng)發(fā)送和傳送的難題。應(yīng)用快速傅里葉變換更使多載波傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度大大降低。從此OFDM技術(shù)開始走向?qū)嵱?。但是?yīng)用OFDM系統(tǒng)仍然需要大量繁雜的數(shù)字信號處理過程，而當(dāng)時還缺乏數(shù)字處理功能強大的元器件，因此OFDM技術(shù)遲遲沒有得到迅速發(fā)展。近些年來，集成數(shù)字電路和數(shù)字信號處理器件的迅猛發(fā)展，以及對無線通信高速率要求的日趨迫切，OFDM技術(shù)再

10、次受到了重視。在20世紀(jì)60年代已經(jīng)提出了使用平行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用(FDM)的概念。1970年美國申請和發(fā)明了一個專利，其思想是采用平行的數(shù)據(jù)和子信道相互重疊的頻分復(fù)用來消除對高速均衡的依賴，用于抵制沖激噪聲和多徑失真，而能充分利用帶寬。這項技術(shù)最初主要用于軍事通信系統(tǒng)。但在以后相當(dāng)長的一段時間，OFDM理論邁向?qū)嵺`的腳步放緩了。由于OFDM各個子載波之間相互正交，采用FFT實現(xiàn)這種調(diào)制，但在實際應(yīng)用中，實時傅立葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素都成為OFDM技術(shù)實現(xiàn)的制約條件。在二十世紀(jì)80年代，MCM獲得了突破性進展，大規(guī)模集成電路讓FFT

11、技術(shù)的實現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實現(xiàn)的困難也都得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺，逐步邁向高速數(shù)字移動通信的領(lǐng)域。80年代后，OFDM的調(diào)整技術(shù)再一次成為研究熱點。例如，在有線信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM調(diào)整技術(shù)，試驗成功了16QAM多路并行傳送19.2kbit/s的電話線MODEM。進入90年代，OFDM的應(yīng)用又涉及到了利用移動調(diào)頻和單邊帶（SSB）信道進行高速數(shù)據(jù)通信，陸地移動通信，高速數(shù)字用戶環(huán)路(HDSL)，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)及高清晰度數(shù)字電視(HDTV)和陸地廣播等各種通信系統(tǒng)。1999年，IEEE802.11a通過

12、了一個SGHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采用為物理層標(biāo)準(zhǔn)，使得傳輸速率可以達54MbPs。這樣，可提供25MbPs的無線ATM接口和10MbPs的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，并支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。這樣的速率完全能滿足室內(nèi)、室外的各種應(yīng)用場合。歐洲電信組織(ETsl)的寬帶射頻接入網(wǎng)的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)HiperiLAN2也把OFDM定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。OFDM技術(shù)的應(yīng)用已有近40年的歷史，主要用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)。但是OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，從而限制了其進一步推廣。直到20世紀(jì)70年代，人們采用離散傅立葉變換來實現(xiàn)多個載波的調(diào)制，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)更趨于實用化。

13、80年代，人們研究如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速MODEM。進入90年代以來，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。由于OFDM的頻率利用率最高，又適用于FFT算法處理，近年來在多種系統(tǒng)得到成功的應(yīng)用，在理論和技術(shù)上已經(jīng)成熟。因此，3GPP/3GPP2成員多數(shù)推薦OFDM作為第四代移動通訊無線接入技術(shù)之一。目前，OFDM技術(shù)在4G LTE技術(shù)中已得到使用，是LTE三大關(guān)鍵技術(shù)之一，預(yù)計在5G仍然作為主要的調(diào)制方式?；灸Ｐ蚈FDM是一種多載波調(diào)制方式，通過減小和消除碼間串?dāng)_的影響來克服信道的頻率選擇性衰落，其基本原理是將信號分割為N個子信號，然后用N個子信號分別調(diào)制N個相互正交的

14、子載波。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。當(dāng)調(diào)制信號通過無線信道到達接收端時，由于信道多徑效應(yīng)帶來的碼間串?dāng)_的作用，子載波之間不再保持良好的正交狀態(tài)，因而發(fā)送前需要在碼元間插入保護間隔。如果保護間隔大于最大時延擴展，則所有時延小于保護間隔的多徑信號將不會延伸到下一個碼元期間，從而有效地消除了碼間串?dāng)_。當(dāng)采用單載波調(diào)制時，為減小ISI的影響，需要采用多級均衡器，這會遇到收斂和復(fù)雜性高等問題。在發(fā)射端，首先對比特流進行QAM或QPSK調(diào)制，然后依次經(jīng)過串并變換和IFFT變換，再將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，加上保護間隔（又稱“循環(huán)前綴”），形成OFDM碼元。在組幀時，須加入同步序列

15、和信道估計序列，以便接收端進行突發(fā)檢測、同步和信道估計，最后輸出正交的基帶信號。當(dāng)接收機檢測到信號到達時，首先進行同步和信道估計。當(dāng)完成時間同步、小數(shù)倍頻偏估計和糾正后，經(jīng)過FFT變換，進行整數(shù)倍頻偏估計和糾正，此時得到的數(shù)據(jù)是QAM或QPSK的已調(diào)數(shù)據(jù)。對該數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的解調(diào)，就可得到比特流。FDM/FDMA（頻分復(fù)用/多址）技術(shù)其實是傳統(tǒng)的技術(shù)，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶（子載波）進行并行發(fā)送是最樸素的實現(xiàn)寬帶傳輸?shù)姆椒?。但是為了避免各子載波之間的干擾，不得不在相鄰的子載波之間保留較大的間隔（圖（a）所示），大大降低了頻譜效率。因此，頻譜效率更高的TDM/TDMA（時分復(fù)用/多址）和C

16、DM/CDMA技術(shù)成為了無線通信的核心傳輸技術(shù)。近幾年由于數(shù)字調(diào)制技術(shù)FFT的發(fā)展，使FDM技術(shù)有了革命性的變化。FFT允許將FDM的各個子載波重疊排列，同時保持子載波之間的正交性（以避免子載波之間干擾）。如圖（b）所示，部分重疊的子載波排列可以大大提高頻譜效率，因為相同的帶寬內(nèi)可以容納更多的子載波。應(yīng)用情況在20世紀(jì)90年代，OFDM廣泛用于各種數(shù)字傳輸和通信中，如移動無線FM信道，高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)(HDSL)，不對稱數(shù)字用戶線系統(tǒng)(ADSL)，甚高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)(HDSI)，數(shù)字音頻廣播(DAB)系統(tǒng)，數(shù)字視頻廣播(DVB)和HDTV地面?zhèn)鞑ハ到y(tǒng)。2001年，IEEE802.1

17、6通過了無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)使用頻段的不同，具體可分為視距和非視距兩種。其中，使用211GHz許可和免許可頻段，由于在該頻段波長較長，適合非視距傳播，此時系統(tǒng)會存在較強的多徑效應(yīng)，而在免許可頻段還存在干擾問題，所以系統(tǒng)采用了抵抗多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上有明顯優(yōu)勢的OFDM調(diào)制，多址方式為OFDMA。2006年2月，IEEE802.16e形成了最終的出版物，采用的調(diào)制方式仍然是OFDM。2004年11月，根據(jù)眾多移動通信運營商、制造商和研究機構(gòu)的要求，3GPP通過被稱為Long Term Evolution (LTE)即“3G長期演進”的立項工作。項目以制定3G演進型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)

18、范作為目標(biāo)。3GPP經(jīng)過激烈的討論和艱苦的融合，終于在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術(shù)，即下行OFDM，上行SC(單載波)FDMA。OFDM由于技術(shù)的成熟性，被選用為下行標(biāo)準(zhǔn)很快就達成了共識。而上行技術(shù)的選擇上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些設(shè)備商認(rèn)為會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，一些則認(rèn)為可以通過濾波，削峰等方法限制峰均比。不過，經(jīng)過討論后，最后上行還是采用了SC-FDMA方式。擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA在LTE演進計劃中也提出了TD-CDM-OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目標(biāo)，并希望在2010年予以實現(xiàn)。B3G/4G

19、的目標(biāo)是在高速移動環(huán)境下支持高達100Mb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率，在室內(nèi)和靜止環(huán)境下支持高達IGb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率。而OFDM技術(shù)也將扮演重要的角色。下一代移動通信系統(tǒng)在性能方面主要有以下要求：用戶速率在準(zhǔn)靜止(低速移動和固定)情況下達20Mbit/s，在高速移動情況下達2Mbit/s；量要達到第三代系統(tǒng)的5-10倍，傳輸質(zhì)量相當(dāng)于甚至優(yōu)于第三代系統(tǒng)；條件相同時小區(qū)覆蓋范圍等于或大于第三代系統(tǒng)；具有不同速率間的自動切換能力，以保證通信質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)的每比特成本要比第三代低。 在功能方面主要有以下要求：支持下一代因特網(wǎng)和所有的信息設(shè)備、家用電器等；實現(xiàn)與固定網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)的無縫化連接；能通過中間件

20、支持和開通多種多樣的IP業(yè)務(wù)；能提供用戶定義的個性化服務(wù)；按服務(wù)級別收費。由于信道傳輸特性不理想，各類無線和移動通信中普遍存在著符號間干擾(ISI)。通常采用自適應(yīng)均衡器來加以克服，但是，在高速數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了保證克服ISI，往往要求均衡器的抽頭數(shù)很大，尤其是城市環(huán)境可能使得均衡器的抽頭數(shù)達上百。這樣，必然大大增加了均衡器的復(fù)雜程度，使設(shè)備造價和成本大大提高。為了能在下一代移動通信中有效解決這一問題，OFDM技術(shù)因其頻譜利用率高和抗多徑衰落性能好而被普遍看好，以取代復(fù)雜而昂貴的自適應(yīng)均衡器。近年來，由于DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM作為一種可以有效對抗ISI的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。

21、OFDM技術(shù)的主要思想是：將指配的信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。與下一代移動通信系統(tǒng)有關(guān)的OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)有：OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)，主要的應(yīng)用包括：非對稱的數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等。與其他載波調(diào)制方式的比較一）固定頻率在一個特定的頻段范圍（通常非常窄）內(nèi)傳播信號的方式。通過此方式傳輸?shù)男盘柾ǔＲ蟾吖β实男盘柊l(fā)射器并且獲得使用許可。如果遇到較強的干擾，信道內(nèi)或者附近的固定頻率

22、發(fā)射器將受到影響。對于許可證的要求就是為了減少相鄰的系統(tǒng)在使用相同的信道時產(chǎn)生的干擾。（二）跳頻擴頻使用被發(fā)射器和接收器都知曉的偽隨機序列，在很多頻率信道內(nèi)快速跳變以發(fā)射無線電信號。FHSS有較強的抗干擾能力，一旦信號在某信道中受阻，它將迅速再下一跳中重新發(fā)送信號。（三）直接序列擴頻在設(shè)備的特定的發(fā)射頻率內(nèi)以廣播形式發(fā)射信號。用戶數(shù)據(jù)在空間傳送之前，先附加“擴頻碼”，實現(xiàn)擴頻傳輸。接收器在解調(diào)制的過程中將干擾剔除。在去除擴頻碼、提取有效信號時，噪聲信號同時剔除。（四）正交頻分復(fù)用同時在多個子載波頻率上以廣播形式發(fā)射信號。每個子載波的帶寬都很窄，可以承載高速數(shù)據(jù)信號。OFDM適用于嚴(yán)酷的信道條件

23、。由于OFDM具有較高的復(fù)雜度，有很多方式來抗干擾。對窄帶干擾的抗干擾能力也不錯，因為大量的正交的子載波和與DSSS相似的信道編碼機制。MIMO（多入多出技術(shù)）MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動通信的核心技術(shù)。MIMO技術(shù)最早是由馬可尼于1908年提出的，它利用發(fā)射端的多個天線各自獨立發(fā)送信號

24、，同時在接收端用多個天線接收并恢復(fù)原信息，就可以實現(xiàn)以更小的代價達到更高的用戶速率。原理發(fā)射端通過空時映射將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號映射到多根天線上發(fā)送出去，接收端將各根天線接收到的信號進行空時譯碼從而恢復(fù)出發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。根據(jù)空時映射方法的不同，MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：空間分集和空間復(fù)用?？臻g分集是指利用多根發(fā)送天線將具有相同信息的信號通過不同的路徑發(fā)送出去，同時在接收機端獲得同一個數(shù)據(jù)符號的多個獨立衰落的信號，從而獲得分集提高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用一根發(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

25、n 。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。目前在MIMO系統(tǒng)中常用的空間分集技術(shù)主要有空時分組碼（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技術(shù)。STBC是基于發(fā)送分集的一種重要編碼形式，其中最基本的是針對二天線設(shè)計的Alamouti方案?？梢园l(fā)現(xiàn)STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天線上面要傳輸?shù)男盘柺噶肯嗷フ?，如圖2-19中x 1和x 2的內(nèi)積為0，這時接收端就可以利用發(fā)送端信號矢量的正交性恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)信

26、號。使用STBC技術(shù)，能夠達到滿分集的效果，即在具有M根發(fā)射天線N 根接收天線的系統(tǒng)中采用STBC技術(shù)時最大分集增益為MN。波束成形技術(shù)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，從而有效提高天線增益。為了能夠最大化指向用戶的波束的信號強度，通常波束成形技術(shù)需要計算各個發(fā)射天線上發(fā)送數(shù)據(jù)的相位和功率，也稱之威波束成形矢量。常見的波束成形矢量計算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根發(fā)射天線采用波束成形技術(shù)可以獲得的最大發(fā)送分集增益為M?？臻g復(fù)用技術(shù)是將要傳送的數(shù)據(jù)可以分成幾個數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。常用的空間復(fù)用方法是貝爾實驗室提

27、出的垂直分層空時碼，即V-BLAST技術(shù)。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系統(tǒng)是一項運用于802.11n的核心技術(shù)。802.11n是IEEE繼802.11bag后全新的無線局域網(wǎng)技術(shù)，速度可達600Mbps。同時，專有MIMO技術(shù)可改進已有802.11a/b/g網(wǎng)絡(luò)的性能。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。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(M

28、ultiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。優(yōu)點無線電發(fā)送的信號被反射時，會產(chǎn)生多份信號。每份信號都是一個空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個空間流。MIMO允許多個天線同時發(fā)送和接收多個空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空間方位的信號。MIMO 技術(shù)的應(yīng)用，使空間成為一種可以用于提高性能的資源，并能夠增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。提高信道的容量：MIMO接入點到MIMO客戶端之間，可以同時發(fā)送和接收多個空間流，信道容量可以隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地

29、提高。提高信道的可靠性：利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益及空間分集增益，可以利用多天線來抑制信道衰落。多天線系統(tǒng)的應(yīng)用，使得并行數(shù)據(jù)流可以同時傳送，可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。傳輸信息流s(k)經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流ci(k)，I=1，N。這N個子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子

30、流，從而實現(xiàn)最佳的處理。特別是，這N個子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為：C=min(M,N)Blog2(/

31、2)其中B為信號帶寬，為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。相對而言，多入多出對于提高無線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。MIMO應(yīng)用無線寬帶移動通信：為了提高系統(tǒng)容量，下一代的無線寬帶移動通信系統(tǒng)將會采用MIMO技術(shù)，即在基站端放置多個天線，在移動臺也放置多個天線，基站和移動臺之間形成MIMO通信鏈路。應(yīng)用MIMO技術(shù)的無線寬帶移動通信系統(tǒng)從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類：一類

32、是多個基站天線集中排列形成天線陣列，放置于覆蓋小區(qū)，這一類可以稱為集中式MIMO；另一類是基站的多個天線分散放置在覆蓋小區(qū)，可以稱為分布式MIMO。傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)：MIMO技術(shù)可以比較簡單地直接應(yīng)用于傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)，將基站的單天線換為多個天線構(gòu)成的天線陣列。基站通過天線陣列與小區(qū)內(nèi)的具有多個天線的移動臺進行MIMO通信。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度看，這樣的MIMO系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單入單出(SISO)蜂窩通信系統(tǒng)相比并沒有根本的區(qū)別。和傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)相結(jié)合：傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗，能夠在小區(qū)內(nèi)形成良好的系統(tǒng)覆蓋，解決小區(qū)內(nèi)的通信死角，提高通信服務(wù)質(zhì)

33、量。最近在MIMO技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)與MIMO技術(shù)相結(jié)合可以提高系統(tǒng)容量，這種新的分布式MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布式無線通信系統(tǒng)(DWCS)成為MIMO技術(shù)的重要研究熱點。在采用分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)中，分散在小區(qū)內(nèi)的多個天線通過光纖和基站處理器相連接。具有多天線的移動臺和分散在附近的基站天線進行通信，與基站建立了MIMO通信鏈路。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅具備了傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)的優(yōu)勢，減少了路徑損耗，克服了陰影效應(yīng)，同時還通過MIMO技術(shù)顯著提高了信道容量。與集中式MIMO相比，DWCS的基站天線之間距離較遠(yuǎn)，不同天線與移動臺之間形成的信道衰落可以看作完全不相關(guān)，信道容量更大

34、?？傮w上說，分布式MIMO系統(tǒng)的信道容量更大，系統(tǒng)功耗更小，系統(tǒng)覆蓋性能更好，系統(tǒng)具有更好的擴展性和靈活性。分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)也帶來了一些新問題。移動臺和小區(qū)內(nèi)鄰近的天線建立的MIMO鏈路，由于基站不同天線的位置不同，它們距離移動臺的距離不同，使得基站端的多個天線的信號到達移動臺的延時也不同，因此帶來新的研究問題。目前在這方面研究較多的是進行容量分析。除此之外的研究內(nèi)容還包括：具體的同步技術(shù)、信道估計、天線選擇、發(fā)射方案、信號檢測技術(shù)等，這些問題有待深入研究。無線通信領(lǐng)域：MIMO技術(shù)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，MIMO技術(shù)將越來越多地應(yīng)用于各種無線通信

35、系統(tǒng)。在無線寬帶移動通信系統(tǒng)方面，第3代移動通信合作計劃(3GPP)已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中加入了MIMO技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，B3G和4G的系統(tǒng)中也將應(yīng)用MIMO技術(shù)。在無線寬帶接入系統(tǒng)中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標(biāo)準(zhǔn)也采用了MIMO技術(shù)。在其他無線通信系統(tǒng)研究中，如超寬帶(UWB)系統(tǒng)、感知無線電系統(tǒng)(CR)，都在考慮應(yīng)用MIMO技術(shù)。隨著使用天線數(shù)目的增加，MIMO技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜度大幅度增高，從而限制了天線的使用數(shù)目，不能充分發(fā)揮MIMO技術(shù)的優(yōu)勢。目前，如何在保證一定的系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低MIMO技術(shù)的算法復(fù)雜度和實現(xiàn)復(fù)雜度，成為業(yè)界面對的巨大挑戰(zhàn)。雷達領(lǐng)域：MIMO技

36、術(shù)同樣也應(yīng)用于雷達領(lǐng)域，主要通過多個天線發(fā)射不同的正交波形，同時覆蓋較大空域，并利用長時間相干積累來獲得較高的信噪比。MIMO技術(shù)MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動通信的核心技術(shù)。1開環(huán)發(fā)射分集當(dāng)終端處于無線信號質(zhì)量較差的場景或終端移動速度較快時，及時準(zhǔn)確地掌握下行信道的質(zhì)量狀況較為困難，這時

37、使用開環(huán)發(fā)射分集技術(shù)可以有效對抗信道衰落，提高接收端的信噪比。開環(huán)發(fā)射分集工作方式采用單碼字傳輸，也就是將一路數(shù)據(jù)流同時映射到2層或者4層進行傳輸，在接收端將多個發(fā)射天線的信號進行合并處理獲得額外分集增益，具體的層映射過程參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。在LTE系統(tǒng)中，下行鏈路使用OFDM技術(shù)，因此為了適應(yīng)頻域信號處理的要求而采用了SFTD（SpaceFrequencyTransmitDiversity，空頻發(fā)射分集）工作方式。SFTD基于SFBC（SpaceFrequencyBlockCoding，空頻塊編碼）技術(shù)。對于Alamouti編碼，一個缺點是當(dāng)發(fā)射天線數(shù)目大于2時，理論上證明

38、不存在正交的可用于全速率傳輸?shù)木幋a方式，因此對于4天線開環(huán)發(fā)射分集，采用了結(jié)合SFTD和FSTD（FrequencySwitchTransmitDiversity，頻率交換發(fā)射分集）的工作方式（如圖8所示），實際上是將4個天線分為兩組，分別為第一組天線（天線端口0、2）和第二組天線（天線端口1、3），每組天線內(nèi)采用SFTD工作方式，天線組間采用FSTD工作方式。采用這種在天線間交織的工作方式，主要原因是天線端口0、1的參考信號密度較大，天線端口2、3的參考信號密度較小，使用天線分組交織的工作方式可以保證兩組SFBC碼塊有較平衡的解碼性能。開環(huán)發(fā)射分集預(yù)編碼過程具體方案可以參見下行鏈路傳輸技術(shù)中

39、的物理信道處理。2空間復(fù)用當(dāng)終端處于無線信號質(zhì)量較好且存在豐富的多徑資源的場景時，則可以在MIMO系統(tǒng)的不同信道間共享高信噪比，為用戶提供并行傳輸多路數(shù)據(jù)的服務(wù)，有效提高單用戶的數(shù)據(jù)吞吐率和系統(tǒng)的吞吐量。假設(shè)MIMO系統(tǒng)中發(fā)射機有NT個發(fā)射天線，接收機有NR個接收天線，根據(jù)多天線理論可以知道，接收端的信噪比與單天線傳輸相比最大可以提高NT×NR倍，因此在功率和帶寬不受限的條件下用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率可以得到顯著提高。式（4）為單天線系統(tǒng)中的信道容量理論計算方法，當(dāng)信噪比提高NT×NR倍時，利用原有的傳輸帶寬，可以近似認(rèn)為信道容量提高log2(NT×NR)倍。在實際應(yīng)用

40、時，MIMO信道數(shù)量可能會少于發(fā)射端或接收端最少天線數(shù)目，假設(shè)為M，MminNT，NR，則實際MIMO系統(tǒng)的信道容量可以參考式5的計算方法。3GPPR8/R9版本標(biāo)準(zhǔn)中制定了3種空間復(fù)用工作方式，分別是大延遲CCD空間復(fù)用、閉環(huán)空間復(fù)用和單層閉環(huán)空間復(fù)用。下面分別進行簡單的介紹。3大延遲CDD空間復(fù)用大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)是將CDD（CyclicDelayDiversity，循環(huán)延遲分集）技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)進行組合應(yīng)用。CDD技術(shù)可以認(rèn)為是分集技術(shù)的一種，通過在不同的天線端口人為增加不同的時延，相當(dāng)于進行了信道無關(guān)的頻率選擇性預(yù)編碼。這樣的預(yù)編碼可以使傳輸信號和實際信道匹配得較好，從而有效提

41、高接收端信噪比，但也有可能使傳輸信號與信道矩陣失配而降低接收端信噪比，所以CDD技術(shù)的性能和時延的選擇有直接關(guān)系。LTE系統(tǒng)中采用支持較大延遲的CDD技術(shù)，保證在一定的傳輸帶寬內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的信噪比變化，使得各層的信號能夠有相近的信道質(zhì)量，如果終端側(cè)使用MMSE接收機就能夠獲得一定增益。大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)采用雙碼字傳輸，也就是兩路不同的數(shù)據(jù)流同時映射到24層進行傳輸，高信噪比保證了使用多碼字時的傳輸質(zhì)量，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。具體層映射過程參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)的預(yù)編碼過程見式（6）。其中W是基于碼本的預(yù)編碼矩陣。因為大延遲CDD空間復(fù)用是一種開環(huán)空間復(fù)用，也就是終端反饋時可以反饋CQI（ChannelQualityIndicator，信道質(zhì)量指示）和RI（RankIndicator，秩指示）信息，但不反饋PMI（PrecodingMatrixIndicator，預(yù)編碼矩陣指示）信息，因此預(yù)編碼矩陣W是由網(wǎng)絡(luò)側(cè)進行選擇的。D是延時矩陣，U是單位矩陣，通過D和U矩陣可以實現(xiàn)不同層信號間的均衡。W、D和U矩陣的具體取值參考下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。4閉環(huán)空間復(fù)用閉環(huán)空間復(fù)用可以采用單碼字或雙碼字傳輸。單碼字傳輸對應(yīng)模式6，也就是單層閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)。雙碼字傳輸對