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移动终端或其周围物体处在运动时,信道的时变特性会引起信号频谱的展宽。
因此,计划以OFDM[1-2](正交频分复用)为核心技术提供服务,它在宽带领域的应用具有很大的潜力。
较之第三代移动通信系统,采用多种新技术的OFDM具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力,它不仅仅可以增加系统容量,更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求,将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去。
OFDM技术已经成功应用于非对称数字用户环路(ADSL),数字音频广播(DAB),高清晰度电视(HDTV),无线局域网(WLAN)等系统中,它可以有效消除多径传播造成的ISI现象的特性使得它在移动通信中的应用也是大势所趋。
同时,过去的单天线系统已不再能满足日益增长的系统容量的要求,多输入多输出的多天线系统开始得到越来越多的关注,多输入多输出技术(MIMO)是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破,MIMO技术在发送端和接收端采用多天线和多通道。
由于各发送天线同时发送的信号占用同一个频带,因而不需要增加带宽。
若各发射接收天线间的信道冲击响应相互独立,则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。
通过这些并行空间信道独立的传送信息,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,因此,对它的研究便成为一个必然。
香农定律指出,在高信噪比通信环境下,单天线系统信噪比增加3dB能使信道容量大约增加1bits/cycle,贝尔实验室的E.Telatar,G.J.Foschini和M.J.Gans[4]分别经过研究指出:
对于满足独立瑞利衰落的n发射天线n接收天线系统,尤其当n很大时,每3dB的信噪比增量能使信道容量增幅达到nbits/cycle,从而为探求高速无线通信指明了新的方向。
因此,将这两种技术的优势结合起来[3-4]构成的MIMO-OFDM系统便成为下一代移动通信中无线传输链路的主要备选方案之一。
1.2OFDM的基本原理
正交频分复用[2](OFDM)技术是一种特殊的多载波传输方案,以其特殊的频谱结构(图1-1)引起了广泛的关注。
图1-1OFDM频谱结构示意图
Figure1-1FrequencyspectrumofOFDMsystem
OFDM并不是新生事物,它由多载波调制(MCM)发展而来,早在上世纪50年代就已经被提出。
但由于OFDM的各个子载波之间相互正交,采用FFT实现这种调制,但在实际应用中,实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为OFDM技术实现的制约条件。
终于在20世纪80年代,DSP技术获得了突破性进展,让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍,一些其它难以实现的困难也都得到了解决。
20世纪90年代以来,OFDM开始被应用于双向无线通信系统。
OFDM收发信机的基本原理图如图1-2所示:
图1-2OFDM收发信机框图
Figure1-2BasicstructureofOFDMtransmitterandreceiver
在发射端,调制器产生
个数据符号
。
这
个符号将被复用到
个子载波上。
在实际系统中,通常取子载波数是2的幂次,这样傅立叶变换可用快速傅立叶变换(FFT)实现。
在一个OFDM符号期间传输的时域采样
由快速傅立叶反变换(IFFT)产生并加上循环前缀之后发射至信道。
在接收端,首先从接收的时域采样中去掉循环前缀,数据采样
经FFT产生接收到的频域数据
信道的脉冲响应在一个OFDM符号期间被认为是恒定的,这样每个OFDM符号周期才能描述为脉冲响应的
点傅立叶变换。
在传统的并行通信系统中,整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道,各个子信道间还要留有保护间隔。
这种做法,虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲频带利用率为代价,这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。
OFDM不存在这个缺点,它允许各载波间频率互相混叠,采用了基于载波频率正交的FFT调制,由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量,所以能够实现各个载波的正交。
尽管还是频分复用,但已与过去的FDMA有了很大的不同:
不再是通过很多带通滤波器来实现,而是直接在基带处理,这也是OFDM有别于其他系统的优点之一。
OFDM的接收机实际上是一组解调器,它将不同载波搬移至零频,然后在一个码元周期内积分,其他载波由于与所积分的信号正交,因此不会对这个积分结果产生影响。
OFDM的高数据速率与子载波的数量有关,增加子载波数目就能提高数据的传送速率。
OFDM每个频带的调制方法可以不同,这增加了系统的灵活性。
因此OFDM是一种特殊的多载波传送方案,单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流,每个码流都用一条载波发送。
OFDM弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式,转而选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形,两者频谱结构的对比如图1-3所示,因此我们说,OFDM既可以当作调制技术,也可以当作复用技术,OFDM具有增强抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。
图1-3传统频分复用与OFDM的信道分配对比
Figure1-3ComparisonbetweentraditionalFDMandOFDMfrequencyspectrum
应用OFDM的一个很重要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。
通过把输入的数据流串并变换到N个并行的子信道中,使得每个用于调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍,因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。
为了最大限度地消除符号间干扰,还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔,而且该保护间隔长度一般要大于无线信道的最大时延扩展,这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。
在这段保护间隔内,可以不插入任何信号,即是一段空闲的传输时段。
然而在这种情况下,由于多径传播的影响,则会产生信道间的干扰ICI(InterChannelInterference),即子载波之间的正交性遭到破坏,不同的子载波之间产生干扰。
为了消除由于多径所造成的ICI,OFDM符号需要在其保护间隔内添加循环前缀信号,这样就可以保证在FFT周期内,OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期个数也是整数。
这样,时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。
当子载波个数比较大时,OFDM的符号周期T相对于信道的脉冲响应长度很大,则符号间干扰ISI(Inter-SymbolInterference)的影响很小;
而如果相邻OFDM符号间的保护间隔满足远远大于脉冲响应长度这个要求,则可以完全克服ISI的影响。
同时为了保持子载波之间的正交性,该保护间隔必须是循环前缀,即将每个OFDM符号的后保护间隔时间中的样点复制到OFDM符号的前面,形成前缀。
总之,OFDM技术之所以越来越受关注,正是因为OFDM的很多独特优点:
(1)频谱利用率很高,频谱效率比串行系统高近一倍。
这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。
OFDM信号的相邻子载波相互重叠,从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。
(2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强,由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上,可大大降低各子载波的符号速率,从而减弱多径传播的影响,若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法,甚至可以完全消除符号间干扰。
(3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。
通过选取各子信道,每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。
即要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”,亦即使优质信道多传送,较差信道少传送,劣质信道不传送的原则。
(4)通过各子载波的联合编码,可具有很强的抗衰落能力。
OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。
但通过将各个信道联合编码,可以使系统性能得到提高。
(5)基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法,OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调,易用DSP实现。
1.3MIMO-OFDM系统原理
多入多出(MIMO,Multiple-InputMultiple-Out-put)或多发多收天线(MTMRA)技术[4]是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。
该技术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,是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。
该技术最早是由马可尼于1908年提出的,它利用多天线来抑制信道衰落。
根据收发两端天线数量,相对于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系统,MIMO还可以包括SIMO(Single-InputMultiple-Output)系统和MISO(Multiple-InputSingle-Output)系统。
通常,多径要引起衰落,因而被视为有害因素。
然而研究结果表明,对于MIMO系统来说,多径可以作为一个有利因素加以利用。
MIMO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。
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,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通道响应独立,则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。
通过这些并行空间信道独立地传输信息,数据率必然可以提高。
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。
系统容量是表征通信系统的最重要标志之一,表示了通信系统最大传输率。
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,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,也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量。
利用MIMO技术不仅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。
图1-4MIMO-OFDM系统模型
Figure1-4MIMO-OFDMchannelmodels
MIMO系统在一定程度上可以利用传播中的多径分量,也就是说MIMO可以抗多径衰落,但是对于频率选择性深衰落,MIMO系统依然是无能为力。
目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术,还有一种是利用OFDM。
大多数研究人员认为OFDM技术是更合适的选择,B3G/4G需要具有极高频谱利用率的技术,而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的,在OFDM的基础上合理开发空间资源,也就是MIMO+OFDM,可以提供更高的数据传输速率。
另外OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。
由于多径时延小于保护间隔,所以系统不受码间干扰的困扰,这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统,依靠多天线来实现,即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应,来实现完全覆盖。
在无线频谱资源相对匮乏的今天,MIMO-OFDM系统已经体现出其优越性,这项技术的巨大潜力表明其下一个应用领域无疑是新一代基于包交换的无线移动蜂窝网络(即Beyond3G/4G)。
无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约。
发射机和接收机之间的传播路径非常复杂,从简单的视距传播到遭受各种复杂的地貌,如建筑物、山脉和森林等的影响。
此外无线信道不像有线信道那样固定并可预见,而是具有很大的随机性,导致接收信号的幅度、相位和频率失真,难以分析。
信道估计的目的在于获取每组发送天线和接收天线之间的信道冲激响应,它是进行相关检测,解调,均衡的基础[5]。
1.4本文结构
本文依托“863”项目—B3G展开研究。
第一章介绍了MIMO-OFDM系统的基本原理;
在第二章详细探讨了与信道估计相关的移动传播环境的特性与建模方法;
随后的两章分别讨论了两大类信道估计算法,给出了有关算法的改进意见,仿真结果和实现方法。
在文章的最后部分展望了下一步的研究计划。
第五章结语与展望
5.14G在中国――FuTURE计划
近年来,移动通信已成为我国通信领域最具活力的产业之一。
在国家“863计划”和信息产业部移动通信专项基金等方面的支持下,我国在第三代移动通信系统研究开发方面取得了巨大的进展,掌握了一大批核心技术,完成了WCDMA和CDMA2000-1x现场试验系统的研制,并提出了拥有自主知识产权的第三代移动通信标准TD-SCDMA。
为了进一步缩小与发达国家在移动通信技术上的差距,国家适时启动了新一代移动通信技术(4G)的研究计划,即“FuTURE(FutureTechnologyforUniversalRadioEnvironment)计划”,使我国在未来移动通信领域的基础研究与国际同步发展,同时也使我国在该领域的研究与全球第一大移动通信市场的地位相适应。
根据“十五”863通信技术主题战略发展报告的要求,“FuTURE计划”将面向未来5至10年无线通信领域的发展趋势和需求,研究4G蜂窝通信网络结构,空中接口技术,无线资源调配方式,建立相关关键技术验证系统,支持面向未来的无线通信新业务,对形成新一代无线与移动通信知识产权和体制标准做出较大贡献,最终使我国移动通信技术研究与国际先进水平同步发展,为实现未来移动通信产业的跨越式发展创造条件。
具体而言,“FuTURE计划”的研究内容包括三个层面:
第一,研究面向4G
的蜂窝通信技术,在快速移动环境下,峰值速率达到100Mbit/s以上;
第二,研究区域性的无线接入技术,在静止或慢速移动环境下峰值速率达到1Gbit/s;
第三,研究高空平台无线通信技术,峰值速率达到10Gbit/s。
“FuTURE计划”应能够把三个层面的研究内容相互融合,形成一个面向未来的无线通信环境。
整个“FuTURE计划”的研究开发将分三个阶段进行实施。
从2001年12月至2003年12月,开展Beyond3G/4G蜂窝通信空中接口技术研究,完成Beyond3G/4G无线传输系统的核心硬、软件研制工作,开展相关传输实验,向国际电信联盟(ITU,InternationalTelecommunicationUnion)提交有关建议。
从2004年1月至2005年12月,使Beyond3G/4G空中接口技术研究达到相对成熟的水平,进行与之相关的系统构造技术研究,完成联网试验和演示业务的开发,建成具有Beyond3G/4G技术特征的演示系统,具备向ITU提交初步的新一代无线通信体制标准的条件。
从2006年1月至2010年12月,设立有关重大专项,完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实用化研究,开展较大规模的现场试验。
5.2未来研究展望
由于时间所限,很多十分重要的问题本文并未涉及或未作过多阐述。
更贴近实用化的信道估计问题将是接下来要重点研究的方向。
真正的蜂窝系统中的信道估计要考虑小区间干扰的问题,位于小区边缘的终端同时收到强度相当的不同基站的导频信号时就会产生干扰,作为系统级的信道估计方案,这个问题必须要给予充分的重视,目前往往采用一些诸如在相邻的小区采用不同的导频图案的方法加以解决,这种方案在效果和信道利用率上都不尽如人意,需要有更好的解决方案。
在同一小区的MIMO系统中,多天线间的干扰问题也很明显,如何设计出更好的导频分布来满足各天线间的正交性亦非常重要。
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