無線通信作為新興的通信技術(shù)在日常生活中的作用越來越大。近年來，無線局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，但無線局域網(wǎng)的性能、速度與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比還有一定距離，因此如何提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能和容量日益顯得重要。

IEEE 802.11g工作在2.4 GHz頻段上[2]，該標(biāo)準(zhǔn)能夠與IEEE 802.11b的WiFi系統(tǒng)互相連通，共存于同一接入點(AP)的網(wǎng)絡(luò)里，可保障后向兼容性。這樣原有的WLAN系統(tǒng)可以平滑地向高速無線局域網(wǎng)過渡，延長了IEEE 802.11b產(chǎn)品的使用壽命，可降低用戶的投資。但對于今后在無線局域網(wǎng)中要開展的多媒體業(yè)務(wù)來說，最高為54 Mb/s的數(shù)據(jù)速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此IEEE已經(jīng)成立802.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11n。該標(biāo)準(zhǔn)采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)和OFDM技術(shù)，計劃將WLAN的傳輸速率從54 Mb/s增加至108 Mb/s以上，實現(xiàn)與百兆有線網(wǎng)的無縫結(jié)合，其最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)320 Mb/s，將成為IEEE 802.11g之后的另一重要標(biāo)準(zhǔn)。

1 MIMO OFDM技術(shù)

1.1 正交頻分復(fù)用技術(shù)

OFDM技術(shù)其實是多載波調(diào)制(MCM)的一種。其主要思想是：將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣既減少了子信道之間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。由于每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。圖1所示為頻分復(fù)用(FDM)信號頻譜與OFDM信號頻譜的比較。

各個子信道中的正交調(diào)制和解調(diào)可以采用逆快速傅立葉變換(IFFT)和快速傅立葉變換(FFT)方法來實現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展，IFFT和FFT都非常容易實現(xiàn)。FFT的引入，大大降低了OFDM實現(xiàn)的復(fù)雜性，提升了系統(tǒng)的性能。圖2所示為OFDM發(fā)送接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量。因此無論從用戶高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求，還是從無線通信自身來考慮，都希望物理層支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸，而OFDM容易通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

目前，OFDM結(jié)合時空編碼、分集、干擾(包括符號間干擾和鄰道干擾)抑制以及智能天線技術(shù)，最大程度地提高了物理層的可靠性。如再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼以及動態(tài)子載波分配、動態(tài)比特分配算法等技術(shù)，性能可進(jìn)一步優(yōu)化[3]。

同單載波系統(tǒng)相比，OFDM還存在一些缺點，如易受頻率偏差的影響，存在較高的峰值平均功率比(PAR)。

1.2 多輸入多輸出技術(shù)

MIMO技術(shù)是無線通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。普遍認(rèn)為，MIMO將是新一代無線通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。

在室內(nèi)，電磁環(huán)境較為復(fù)雜，多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使實現(xiàn)無線信道的高速數(shù)據(jù)傳輸比有線信道困難。通常多徑效應(yīng)會引起衰落，被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對于MIM0系統(tǒng)來說，多徑效應(yīng)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)和多信道。MIMO的多輸入多輸出是針對多徑無線信道來說的。圖3所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖。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(jī)利用先進(jìn)的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。

這N個信息子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并不增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨立，則MIMO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，使得數(shù)據(jù)傳輸率得以提高。

MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進(jìn)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MIMO系統(tǒng)，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，N、M很大，則信道容量C近似為公式。

C=[min(M, N)]Blog2(ρ/2)

其中B為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M, N)為M，N的較小者。公式表明，功率和帶寬固定時，MIMO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。因此，MIMO技術(shù)對于提高無線局域網(wǎng)的容量具有極大的潛力。

1.3 采用MIMO技術(shù)的OFDM系統(tǒng)

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對無線局域網(wǎng)性能和數(shù)據(jù)速率的要求也越來越高。IEEE 802.11a和IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)支持的最高為54 Mb/s的數(shù)據(jù)速率顯得有些低。理論上，作為高速無線局域網(wǎng)核心的OFDM技術(shù)，適當(dāng)選擇各載波的帶寬和采用糾錯編碼技術(shù)可以完全消除多徑衰落對系統(tǒng)的影響。因此如果沒有功率和帶寬的限制，可以用OFDM技術(shù)實現(xiàn)任何傳輸速率。而采用其他技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)速率增加到某一數(shù)值時信道的頻率選擇性衰落會占據(jù)主導(dǎo)地位，此時無論怎樣增加發(fā)射功率也無濟(jì)于事。這正是OFDM技術(shù)適用于高速無線局域網(wǎng)的原因。實際上，為了進(jìn)一步增加系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)傳輸速率，使用多載波調(diào)制技術(shù)的無線局域網(wǎng)需要增加載波的數(shù)量，這會增加系統(tǒng)復(fù)雜度，增大系統(tǒng)帶寬，對目前帶寬受限和功率受限的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)不太適合。而MIMO技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，因此將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合是下一代無線局域網(wǎng)發(fā)展的趨勢。研究表明，在瑞利衰落信道環(huán)境下，OFDM系統(tǒng)非常適合使用MIMO技術(shù)來提高容量。

MIMO OFDM系統(tǒng)有多個發(fā)送天線，多個接收天線。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當(dāng)?shù)亩喔碧炀�提供多個空間信道，不會全部同時受到衰落。輸入的比特流經(jīng)串并變換分為多個分支，每個分支都進(jìn)行OFDM處理，即經(jīng)過編碼、交織、正交幅度調(diào)制(QAM)映射、插入導(dǎo)頻信號、IFFT變換、加循環(huán)前綴等過程，再經(jīng)天線發(fā)送到無線信道中；接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號處理過程，例如：去除循環(huán)前綴、FFT變換、解碼等等，同時進(jìn)行信道估計、定時、同步、MIMO檢測等技術(shù)，來完全恢復(fù)原來的比特流。

2 實現(xiàn)MIMO OFDM技術(shù)的關(guān)鍵

MIMO OFDM技術(shù)是OFDM和MIMO技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的一種新技術(shù)，其通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實現(xiàn)空間分集，提高了信號質(zhì)量。由于利用了時間、頻率和空間3種分集技術(shù)，因而使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。

【相關(guān)文章】

• MIMO技術(shù)概述
  

• 4G通信中的多入多出（MIMO）技術(shù)
  

• MIMO OFDM：寬帶無線市場的生力軍