MIMO—OFDM技术理论概述

王召

摘 要：MIMO技术在不增加系统带宽和功率的前提下，分别利用发射分集和空间复用来增强系统抗干扰能力和提高系统的信道容量，MIMO技术变成了第四代无线通信的关键技术之一。OFDM技术使多径效应的符号之间的干扰得到消弱，但是无法提高对频谱资源的利用率。故将MIMO技术与OFDM技术相结合，发挥彼此的优点，很好地解决了无线通信中两大难题。

关键词：MIMO；OFDM；技术结合

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0069-02

OFDM是一种基于正交多载波的频分复用技术，采用多载波调制的方式，在发射端把高速的串行数据流经过串/并转换成N路独立的低速数据流，用N路载波进行调制，然后将调制的的N路子载波传送出去，在接收端，根据正交的子载波单独进行解调，分离出源端的多路信号。OFDM技术将高数据串行数据转变成1/N低速数据流的速率，符号周期增大了原来的N倍，比信号的最大时延扩展要大得多得多。故一个较宽的频率选择性信道被分为N个窄带平坦衰落的信道，大大提高了多径衰落和脉冲干扰的能力。此外，时域正交子载波在频域上频谱相互重叠，有效提高带宽的利用率，使得OFDM技术在宽带无线通信中得到广泛应用[1]。

1 MIMO-OFDM原理

多径能导致衰落，所以我们一般认为他是有害的，研究已证明，MIMO系统在发送端和接收端都使用多天线和多个通道，用来来克服多径效应。通信系统中系统容量，其体现了系统的最大传输速率，在MIMO系统中，假设发射天线数量为N，接收天线数量为M，且N、M很大，如果信道为瑞利衰落信道，信道容量可表示为：，其中B表示信号带宽，表示接收端信噪比。从信道容量所表示形式可看出，当MIMO系统的带宽和信噪比固定时，信道容量随最小天线数量增加成线性增加。故多入多出对提高无线通信系统的信道容量提高，还能提高系统的可靠性、降低误码率。而3G到4G需要较高的频谱资源利用技术，但是OFDM对频谱利用率是非常有限的。故在OFDM技术基础上开发空间资源，也即是我们所说MIMO+OFDM技术，可将传输速率大大提升。由于OFDM具有低码率并且加了相应的时间间隔，因此有较好的抗干扰能力。时间保护间隔大于多径时延，因而系统不受码间串扰的影响，这样单频网络（SFN）可运用在OFDM系统中，利用天线来实现。

2 TD-LTE-Advanced系统中MIMO增强技术

在下行的MIMO中，参考信号发生了很大的变化，R8的下行公共公共参考信号有下行解调参考信号（DMRS）和下行测量参考信号（CSI-RS）代替，下行MIMO的反馈不在局限于单码本反馈，采用显性反馈（对信道信息量化的方案）得到很多公司的支持[6]。 信道互易性的反馈方案是TDD的一个优势，因而得到很多公司的支持，他能有效的减少反馈开销，提升系统的性能。

上行SU-MIMO目前有基于码本和基于非码本两种传输方式在讨论。LTE中下行MIMO类似基于码本方式传输，而FDD系统就是采用这种方式传输，因而获得较好的稳定性能。在TDD系统中MIMO传输基准与FDD的码本方式相似，然而非码本传输方式具有一定的技术优势，故在标准会议收到关注并得到广泛的讨论。

3 下行参考信号

LTE-Advanced下行导频有解调导频和测量导频。解调导频运用于数据解调，是用户专属的导频信号，测量导频运用于信道测量，是小区专属宽带公共导频信号。这种导频与R8本质区别是由LTE-Advanced的系统特性决定。LTE-Advanced系统下行要能够支持更多的天线端口和数据流，LTE-Advanced系统要采用与R8系统8端口的公共导频，则导频开销将多出28.6%，，而且很难达到LTE-Advanced系统对峰值速率的要求；如果采用用户的导频结果，则可依据用户的传输模式配置导频，这样可以大大降低了中高传输的导频的需求。此外，MU-MIMO/COMP等新技术的引入了LTE-Advanced系统，只有在使用专用的导频结构才能很好的避免新技术增加终端复杂度。测量导频的引入时因为专业导频没有测量、无法获取宽带信道信息的能力，而且还具有开销较小的优势。因此，这两种导频组合的下行导频不仅达到了LTE-Advanced系统设计要求，还很好控制了因导频带来的开销。

3.1 下行解调参考信号

3.1.1 导频结构

导频结构有导频开销、复用方式和图样3部分组成。信道估计性能和传输数据的有效资源是导频开销的主要考虑的因素。导频开销的增加，信道估计的性能将提高，数据的有效资源反而较少。如果导频开销减少，则数据的有效资源将增加，信道估计性能将下降。为此，在进行导频开销评估时，衡量标准则是根据系统吞吐量来决定。复用的方式有FDM、TDM、CDM和混合4种。LTE-Advanced系统下行解调参考信号采用CDM、CDM与FDM混合服用方式来解决终端的复杂性，多种新技术的透明化。

3.1.2 导频序列

LTE-Advanced下行解调参考信号的序列设计有正交码和扰码两部分。区分不同端口的是正交码，即CDM复用方式。正交码需要做修正（如频域翻转映射）以使符号间的功率平衡。扰码的目的在于干扰随机化。在LTE系统的扰码是依据用户的，而在LTE-Advanced系统专用导频的扰码则是依据于小区的，并对控制信令进行调整，达到保证MU-MIMO能正确解调的目的。

3.2 下行测量参考信号

下行测量导频由于LTE-Advanced系统满足更多端口测量，以保证新技术（COMP等）的测量性能所引进的。其主要围绕两个问题进行讨论：一个是后向兼容问题，主要考虑保留几个端口的R8 CRS，当R8 CRS所配置端口数与小区的端口数相等时，要不要引入下行测量参考信号；二是下行测量参考信号的详细结构，具体考虑R10测量精度，对R8用户的影响以及小区协调避免导频干扰等问题[2]。

在LTE-A系统中，下行传输实现8天线发送分集的方法有两种：一种是以LTE的4天线发射分集的基础上，与其他技术相结合用来实现8天线的发送分集；另一种是是利用现有的LTE中发送分集方案，通过天线虚拟化来实现8天线传输。

3.2.1 SFBC+FSTD

复用4天线发送分集的方法，直接把SFBC+FSTD可用于8天线传输，也即是将要发送的八个符号联合SFBC编码在进行FSTD获得8天线的信号，如下式所示：

将SFBC编码形成矩阵单元，把FSTD的方式在8天线上进行发送。通过调整发送顺序，每一行在一个天线上进行发送，而每列在同一子载波上进行发送，得变换形式。

3.2.2 FSBC+PSD+FSTD

这种方案是在（1）的基础上进一步延伸，不同的是在天线上加了PSD（Phase Switching Diversity），就可得到改进的编码方式，这种方案能使相应的分集增益增大。

4 上行参考信号

上行参考信号包含上行解调信号和上行测量参考信号两种。用于数据解调，且仅仅用在调度的数据块内插入的是上行解调参考信号，由于上行参考信号能在某些子帧的最后一个符号周期或非周期的被发送，因此既可进行全带宽配置，也可进行子带配置，并多次遍历部分或整个宽带。两种信号都利用ZC序列实习[3]。

4.1 上行解调参考信号

上行解调参考信号增强设计的必要性四个方面：保证天线端口或/用户正交性，提供更多的正交参考信号资源，保证不同发送宽带或不同频域资源上的参考信号的正交性，保证不同小区参考信号的正交性[3]。

上行解调参考信号增强性设计方案主要包含有：循环移位增强、循环移位加时域正交和频分复用。循环移位增强具有很好的后向兼容特性，但是在COMP和MU-MIMO等新技术场景中无法确保不同流或用户参考信号的正交性；循环移动正交加时域的方案不仅增加了参考信号可支持端口数，还能在参考信号端口数比较少的时候提高信道估计性能。

4.2 上行探测参考信号

上行测量参考信号增强的必要性两个方面：上行多天线技术的引入需要更多的上行测量参考信号资源和更精准的测量；COMP场景中利用TDD信道互易性时，小区间上行测量参考信号干扰严重[4]。

上行测量参考方案的增强方案有增加上行测量参考信号的资源数、单次触发上上行测量参考信号、复用上行解调参考信号等，但是目前还在进行标准化方案的讨论中。

参考文献：

[1] 佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[M].北京：人民邮电出版 社，2003.

[2] 沈嘉.IMT- Advanced 研究和标准化进展[J].世界电信，2007，（7）.

[3] 王映明，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版 社，2010.