4G通信中MIMOOFDM技术的应用研究

莫运通

【摘要】随着社会的快速发展，移动通信技术的应用越来越重要，本文主要介绍了第四代移动通信技术所面临的问题，MIMOOFDM技术的原理和优势以及 MIMO-OFDM技术在4G系统中应用的必要性。

【关键词】4G；MIMOOFDM技术；应用；问题

1.引言

人们对通信技术的依赖和要求，使得移动通信技术有了长远的发展。无线通信与个人通信经历了从模拟通信到数字通信，从FDMA到CDMA的巨大变化。随着移动通信业务量的不断扩增，用户量的激增，人们对各种多媒体业务高需求以及第三代移动通信技术中存在的缺失和不足，于是第四代移动通信技术响应时代的潮流，应运而生。第四代移动通信技术，作为目前移动通信技术领域中的尖端技术，完全把高安全性、智能性和灵活性，优质的传输质量和服务质量以及更低的传输成本适时地运用到了实际当中。4G移动通信技术的的核心技术在于巧妙地结合了MIMO技术的OFDM技术，进一步的提高了4G移动通信技术的广泛使用。

2.4G通信技术面临的问题

虽然4G移动通信技术已经在第三代技术原有的基础上得到了进一步提升，但4G移动通信技术在拥有高速度的数据传输速率，可提供从语音到多媒体业务等多种业务的同时，也面临着两大问题：其一，由于移动通信中缺乏带宽资源，因此，必须在有限的资源上实现高速率和大容量的数据传输，以满足多种业务的传输需求。其二，系统性能弱。为了达到改善系统性能，可采用OFDM技术和MIMO技术相结合的新兴技术，从而解决高速数据在无线信道下的多径衰落，噪声及多径干扰等固有的问题。OFDM技术通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转化为平坦信道，从而来减小多径衰落的干扰问题。此外，MIMO技术不仅可以在空间上产生独立的并行信道，传输多路数据流，而且可以在不增加系统带宽的情况下增加频谱利用率，有效的提高了系统的传输速率。

3.MIMO-OFDM技术

MIMO-OFDM作为第四代通信系统中最为核心的技术，是通过结合OFDM和MIMO两种技术而得到的一种新兴技术。MIMO技术是目前最常见的无线技术之一，最早的功能是通过利用多天线从而抑制信道衰落的。MIMO技术在发送端和接收端使用多天线，可实现同时发送和接收信号，并且能够在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量，MIMO技术的应用是无线通信的重大突破和创新。虽然，MIMO技术在提高频带利用率上已有一定的成果，通过利用多径效应提高了信号的可靠性，但是，MIMO技术占用频带越宽，多径效应越明显，对于频率的选择性衰弱的问题依然无法找到解决方法。然而，OFDM技术的出现刚好为MIMO技术中的不成熟了弥补了缺失。OFDM技术可以有效的减弱频率选择性衰落的影响以及码间干扰，所以在OPDM技术在无线宽带信道中实现高速率的数据传输发挥了很大的作用。除此之外，OFDM技术的可以更有效的使用频带，抵抗频率选择性衰落能力强，并且提高了频谱资源的利用率。虽然，理论上说，MIMO系统通过利用空间复用技术可无限提高系统容量，利用空间分集技术可以抗多径衰落，但是OFDM提高系统容量的能力也是有限的。因此，MIMO系统与OFDM技术相结合不但可以取长补短，互补互足，而且又是4G移动通信技术未来发展的趋势所在。MIMO-OFDM技术在移动通信中的应用必定能为通信领域掀起一番革新的浪潮。

4.MIMO-OFDM的关键技术

4.1 空时信号处理技术

MIMO技术主要分为空时编码和空间复用两大类。空时编码技术是通过在发射端对数据流进行联合编码，从而降低信道衰落和噪声所造成的符号错误率，同时提高信号的冗余度，从而使信号在接收端获取最大的分集增益和编码增益。目前，4G移动通信技术主要应用的空时编码方式有：分层空时编码，空时格形码，空时分组码以及空时频编码四种。当然，空时编码技术也存在着缺点：数据传输速率无法提高。MIMO技术的空间复用就是在接收端和发射端使用多个天线，尽可能地在空间信道上传输相互独立的数据，使空间传播中的多径分量得利用率最大化，从而使信道容量随着天线数量的增加而增加。将空间复用与空时编码二者相结合，能够确保每个数据流在获得最小分集增益的条件下，平均数据最大化。

4.2 自适应技术

MIMO-OFDM系统需要依照各个子信道的实际传输情况灵活的分配发送功率和信息比特，以最大限度地提高系统容量。自适应传输的核心思想是根据传输信道的实际情况，改变发射功率及每个子信道的符号传输速率等以维持一定的误码率。此外，链路参数的设置，可以最大限度地提高系统容量。根据两个用户在特定位置和时间内的用户统计特征，可以提供多种编码与调制方案，实现用户数据流的最优化。通过传输质量优的子信道采用高速传输，质量差的子信道低传输速率的方式来提供较高的频谱使用效率。

4.3 分集技术

空间分集是主要针对无线传输中的信道衰落的一种技术。接收分集和发射分集构成了分集技术。在复杂的无线信道中传播，无线信号会产生瑞利衰落现象，衰落性质在不同的空间有不同的体现。空间分集接收的实现必须确保两个位置间距超过天线间的距离。分集技术有效的克服了多径衰落。目前，分集技术分为时间上、频率上、空间上的分集等。不同分集技术适用于不同场合，多技术的结合一般应用比较多。在MIMO-OFDM中，通过时间、空间、频率三种分集技术的应用，有效的提供了系统对噪声、干扰、多径的容纳限度。

4.4 信道估计

估计从发送天线到接收天线之间的无线信道的频率响应就称之为信道估计。目前所采用的信道估计有以下两类：第一类是基于训练序列或导频的方法。第一类是采用盲分法。盲分法又可分为全盲和半盲信道估计。信道估计的优点是：准确估计各子信道的频域响应或信道冲击响应，为信道解码提供信道状态信息及为同步算法提供信道参考信息。

5.MIMO-OFDM技术的问题

5.1 天线数量和距离的选择

MIMO系统设计的关键参数是天线的数量和各个天线间的间距，如果要实现MIMO系统的高频谱效率，各天线的间距是非常重要的因素。因为基站一般都安装在相对较高的位置，无法确保始终存在能使衰落散去的相关本地散射體，因此选择合适的天线间距显得尤为重要。基站如果安装了大量的天线，周围的环境势必会被会遭到损害。因此，必须把天线的数量保持在中的水平。本地散射物之间的位置一般是终端，选择天线距离必须要达到确保有相当数量的不相关衰落，并且要考虑到终端实现及其外观审美的需求。

5.2 系统的自适应资源分配问题

理论上说，获得无限大的信道容量的前提是，能为多根天线和相应的射频（RF）链路提供更大的空间，但在实际中并没有这么简单，由于受限于实现操作和物理信道本身的实际情况，并不能达到理论上的水平。此外，MIMO系统可以利用传播中的多径分量，换句话就是说MIMO可以在某种程度上抵抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统并不能达到抗多径衰落功能。因此，为了优化系统的实际性能，有效的自适应比特加载和功率分配方案是非常必要的。此外，信道估计、多普勒频移等都是在实际操作过程中需要注意的问题。MIMO-OFDM技术还有很大的提升空间。

6.结语

随着各种新需求的不断出现以及新科技的飞速发展，4G终将成为未来移动通信领域的主导技术和中坚力量。而将MIMO技术和OFDM技术相结合，能够充分利用这两种技术的优点，不但能大大提高分集增益和系统容量，而且可以增加频谱利用率，有效的解决频率选择性衰落问题。因此，MIMO和OFDM的结合成为第四代移动通信系统中有效对抗频率选择性衰落、提高数据传输数率，增大系统容量的关键技术。4G移动通信技术的飞速发展，将使得广大用户享受更全新、更快捷、更丰富的通信生活。

参考文献

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[2]陈宏.MIMO-OFDM系统原理及其关键技术[J].中国无线电，2006，10：57-62.