MIMO-OFDM技术在无线通信系统中的应用研究

邹 杨，崔金斗，鱼佳欣，王卫平

（中国洛阳电子装备试验中心，河南 济源，459000）

·微机网络与通信·

MIMO-OFDM技术在无线通信系统中的应用研究

邹 杨，崔金斗，鱼佳欣，王卫平

（中国洛阳电子装备试验中心，河南 济源，459000）

MIMO技术即在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和信道利用率。OFDM技术即在可用频段内，将信道“划分”，进行“串并转换”，使得子信道上的符号周期增加，降低甚至避免了每个子信道上的ISI，从而有效地对抗信道衰落。通过对MIMO-OFDM原理的阐述，以及对信道容量公式进行推理，得到了信道容量的近似公式，之后结合两者的优点来构建一个MIMO-OFDM无线局域网系统，并应用MATLAB工具对MIMO技术和OFDM技术是否结合、调制方式、发收数目等进行仿真对比分析，定性地得到了影响系统误码率的影响因子。

MIMO-OFDM技术；信道容量；WLAN技术；空时编码；无线通信；误码率；QPSK调制

1 引言

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output多输入多输出）技术是无线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。MIMO技术已在当代无线通信系统中必不可少。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM） 技术的应用最初主要是在军事通信中，良好的技术性能使得它在很多领域得到了广泛的应用，包括目前已经广泛应用的ADSL宽带接入系统，欧洲的数字音频广播（DAB）、高清晰度数字电视(HDTV)和无线局域网（WLAN）等。

近年来，无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能、速度与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高无线网络的性能和容量显得日益重要。如5.8GHZ无线通信技术采用多输入多输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)相结合的方式，将WLAN的传输速率由目前IEEE802.11a及IEEE 802.11g提供的54Mb/s增加至150Mb/s以上，其最高数据速率可达320Mb/s，实现与千兆有线网的无缝结合。5.8GHZ无线通信技术采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并可以减少其它信号的干扰，其覆盖范围可以扩大到数公里，使WLAN的移动性[1]极大提高。

2 MIMO-OFDM技术

MIMO是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线的一种技术。传统的通信系统是单进单出 SISO（Single-Input Single-Output）系统，此外，基于发射分集和接收分集的多进单出MISO（Multiple-Input Single-Output）方式、单进多出SIMO（Single-Input Multiple-Output）方式也是MIMO的一部分。传输信息流经过空时编码形成N个信息子流，这N个信息子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用空时编码处理能够区分并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。这N个信息子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并不增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，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地传输信息，使得数据传输率得以提高。

OFDM技术[2]即在可用频段内，将信道“划分”成若干正交的子信道，对高速串行数据流进行串并转换，使之变成多个低速的并行数据流，每个低速的数据流用一个子载波调制后在一个子信道上进行传输。这样可以在总的数据速率不变的情况下，使每个子信道上的符号周期得以增加，降低甚至避免了每个子信道上的ISI（符号间干扰），有效地对抗信道衰落。OFDM技术的本质是将一个频选信道“划分”成若干个具有正交性质的非频选信道。

MIMO和OFDM技术结合的必要性在于MIMO系统在一定程度上可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落无能为力，而OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波，从而可以有效地抵抗频率选择性衰落。另外，为了进一步提高系统传输速率，使用OFDM技术的无线通信网就必须增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的占用带宽。MIMO多天线技术则能在不增加带宽的情况下，在每一个窄带平坦子信道上获得更大的信道容量，成倍地提高通信系统的容量[3]和频谱效率，是一种利用空间资源换取频谱资源的技术。

由此可见，将MIMO与OFDM两种技术相结合形成的MIMO-OFDM技术，既可以使系统达到很高的传输效率，提高频谱利用率，也可以通过在OFDM传输系统中，采用阵列天线实现空间分集，以提高信号质量，它是OFDM与MIMO相结合而产生的一种新技术。它采用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。图1是该系统工作流程图。

图1 MIMO-OFDM系统工作流程图

3 宽带MIMO-OFDM信道容量

信道容量是指信道能够支持的最大无差错传输速率。MIMO系统在发送端和接收端之间建立了多个空间子信道，Telatar和Foschini都因此指出MIMO信道的容量可以成倍线性增加。

对于一个有N个发射天线，M个接收天线的MIMO系统，有如下传输关系：

其中，r为M×1维的接收信号向量，H为M×N维的信道矩阵，s为N×1维的发射信号向量，且其协方差矩阵RSS=E(ssH)满足Tr(Rss)=N，使得发射信号总功率为Es。公式（1）中N表示方差为N0的白高斯噪声向量。因此，MIMO信道容量为：

如果发射端无法获知信道信息，只能假设各发射天线上的信号相互独立且能量，即RSS=I，则此时的信道容量为：

将MIMO信道矩阵进行奇异值分解为H=UDV，得到：

r表示信道矩阵H的秩，而λ=1,2,…,r则为HHH的非零特征值。可见MIMO信道容量可以分解为r个SISO子信道的容量之和。若发射端已知信道信息，可以对各子信道进行功率分配，使信道容量取得最大值，即：

其中B为信号带宽，SNR为接收端平均信噪比，min（N，M）为 N、M 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，MIMO的信道容量随着天线数量的增大而线性增大，即利用MIMO技术可以成倍地提高无线信道容量，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，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。

4 空时编码技术[4]

MIMO技术通过由多天线发射多数据流由多天线接收的方式来实现系统的最佳处理，并通过这一方法来提高信道容量。它是通过空时编解码技术来实现的，空时编码（Space-Time Coding，STC）技术在发射分集的基础上，能真正实现空分多址。

MIMO技术中的空时编码技术是为了获得最大的发射天线分集，在保持单信道流量的前提下使误码性能大幅度改善，主要包括空时格码(Space-Time Trellis Code，STTC)、空时分组码 (Space-Time Block Code，STBC)。

由于空时格码[5]的译码难度会随着传输速率的增加而呈指数增加，故本文主要讨论空时分组码。为降低译码复杂度，Alamouti在1998年提出了一种使用两副发送天线的传输方法，它具有结构简单、性能良好的特点，这种方法的译码复杂度要比空时网格编码简单得多，因此也叫Alamouti码。随后，Tarokh在正交设计理论的基础上，把Alamouti方案推广到多于两个天线的系统中，提出了正交空时分组编码。空时分组码运用正交设计获得两个优点：一、在全分集时提供了最大的发送速率而没有损失传送带宽；二、应用列之间的正交性，接收端可以利用简单的线性处理进行最大似然算法解码。在此研究过程中，主要是采用了空时分组编码的技术。

4.1 基于空时分组码的MIMO-OFDM无线局域网系统模型

在发射端，经过QPSK调制后的数据送至串并变换形成多路输出，每路信号独立进行分组编码，所有空时编码单元的上支路输出信号被送至一个离散傅立叶变换器，下支路信号被送至另一离散傅立叶变换器，经IFFT变换、保护间隔插入、并串变换形成两路独立的OFDM信号并从两根天线上发射出去。图2给出了两发两收的STBC-OFDM[6]无线局域网系统接收机结构框图。在接收端两路信号分别进行OFDM解调，经等增益合并后送至STBC解码，并串变换后由QPSK解调输出。

图2 两发两收的STBC-OFDM无线局域网系统发射机/接收机结构框图

4.2 基于空时分组码的MIMO-OFDM无线局域网系统仿真

结合已建立的基于空时分组码的MIMO-OFDM无线局域网系统模型，可用MATLAB对系统的性能进行仿真分析。所作的仿真都是基于无线局域网，信道环境是多径环境加白噪声，在仿真中，假定系统所在的信道是准静态的、信道估计可以准确地估计信道参数、接收端也可实现完美同步。

为了便于研究，相关参数设定如下：系统的工作频率为5GHz；多径信道加高斯白噪声环境；OFDM子载波数是48，采用64点IFFT(FFT)实现形式；调制方式采用16QAM，信源编码是1/2的卷积码，其保护间隔为800ns。空时编码采用空时分组编码，相应的空时解码采用最大似然判决算法[7]。

4.2.1 空时分组编码对系统性能的影响评估

在理想高斯信道和衰落信道两种环境下，可分别对于单纯的OFDM系统和采用MIMO技术的OFDM系统（两发两收STBC-OFDM系统）进行仿真。其系统误码率性能对比见图3所示。

仿真结果表明，同样的高斯信道下，当误码率为10-3时，两发两收STBC-OFDM系统比单纯的OFDM系统误码性能改善3.1dB。这也就是说，相对于单纯的OFDM系统，应用MIMO技术的OFDM系统误码性能有了很大的改善。

图3 单OFDM系统和MIMO-OFDM系统误码率对比

4.2.2 调制方式对系统性能的影响

对不同的调制方式（BPSK、QPSK、16QAM）的两发两收STBC-OFDM系统进行仿真，来考察两发两收的基于空时分组码的MIMO-OFDM系统性能。其结果如图4所示。

图4 不同调制方式下系统的误码率对比

从图4中可以看出，在两发两收的MIMO-OFDM系统中，BPSK的误码率性能最好。其次是QPSK调制方式，最后是16QAM调制。这说明随着系统吞吐量的提高，系统的误码率性能会随着下降，在实际中可采用不同信道估计算法，来提高系统的误码率性能。

4.2.3 发送接收天线数目(N，M)对系统性能的影响

考查六径的瑞利信道环境中，在改变发收天线数目的情况下，基于空时分组码的MIMO-OFDM系统性能变化。其结果如图5、6所示。

图5 接收天线数目变化时系统的误码率对比

图6 发射天线数目变化时系统的误码率对比

从图5中可以看出：在同种调制方式下和同种理想信道估计的情况下，(1，3)、(1，4)的 STBC-OFDM系统性能要优于(1，2)STBC-OFDM系统，这说明，在发射天线的数目不变的情况下，增加系统接收天线数目可以提高系统性能。

从图6中可以看出：在同种调制方式下和同种理想信道估计的情况下，(4，1)、(3，1)的 STBC-OFDM系统性能要优于(2，1)的STBC-OFDM系统，这说明在接收天线的数目不变的情况下，增加系统发射天线数目也可以提高系统性能。发射天线增多可以有效增加分集，增强抗多径时延的能力，降低系统误码率。

由此定性地验证了分集级数NM[8]与系统的误码率—信噪比曲线的斜率的对应性，即分集级数越大，性能曲线的斜率越大。因此发射、接收天线数越多，性能曲线的斜率越大。在MIMO-OFDM系统中，尽管所用的天线越多，系统误码性能越好，但这是以系统的实现复杂度和高成本为代价的。发射天线数不同，空时分组码的编码效率也不一样，两个天线发射就比四个天线发射的系统传输速率高一倍，因为前者的空时分组码的编码速率是1，而后者只有1/2，所以在实际应用中，要根据实际情况酌情确定发收天线的数目。

5 结束语

本文主要对MIMO-OFDM技术、信道容量计算公式进行阐述和推理，得到信道容量C近似状态下的计算公式，同时对基于空时分组编码（STBC）的MIMO-OFDM无线局域网进行对比，再对空时分组编码的基本原理进行了详细分析，提出了无线局域网系统仿真系统模型。为进行仿真对比，通过MATLAB软件搭建了MIMO-OFDM技术的无线局域网仿真平台，最后对不同情况下系统误码率性能进行仿真实验，并对每个仿真结果进行了对比分析，得到了定性的仿真结果。

[1]ZHOU H,YANG D,MA M.On the Performance of Multiuser Diversity Gain in MIMO Fading Channel[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2004,27(4):64-68.

[2]学位论文：李豪杰.基于OFDM的无线局域网研究[D].西安：西安电子科技大学，2008.Degree Thesis:Li Haojie.Research on Wireless Local Area Network Based on OFDM[D].Xi'an:Xi'an Electronic and Science University,2008.

[3]学位论文：娄秀花.基于MIMO-OFDM无线局域网信道容量研究[D].长春：吉林大学，2009.Degree Thesis:Lou Xiuhua.Research on the Capacity of Wireless LAN Based on MIMO-OFDM[D].Changchun:Jilin University,2009.

[4]学位论文：杨瑾婧.MIMO-OFDM系统中信道估计与检测技术的研究[D].上海：上海交通大学，2007.Degree Thesis:Yang Jinjing.System of the Estimation and DetectionTechnologyResearchonMIMO-OFDM[D].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2007.

[5]杨全会、蒋朝晖.无线宽带通信中的MIMO技术[J].安徽职业技术学院学报，2015,6:18-21.YangQuanhui、JiangChaohui.MIMO Technologyin Wireless Broadband Communication[J].Journal of Anhui Vocational and Technical College,2015,6:18-21.

[6]学位论文：潘建波.OFDM系统中自适应调制技术研究[D].北京：北京邮电大学.2006.2.Degree Thesis:PanJian Bo.Research on Adaptive Modulation Technology in OFDM System[D].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications,2006.2.

[7]学位论文：梁毅.MIMO-OFDM系统信道特性研究[D].长春：吉林大学.2006.

Degree Thesis:Liang Yi.Research on Channel Characteristics of MIMO-OFDM System[D].Changchun:Jilin University,2006.

[8]付卫红、杨小牛、刘乃安等.宽带无线通信中的MIMO系统[J].电子科技大学学报，2007,4:16-18.Fu Weihong,Yang Xiaoniu,LiuNaian,et al.MIMO System in BroadbandWirelessCommunication[J].JournalofUniversity of Electronic Science and Technology of China,2007,4:16-18.

Application and Research of MIMO-OFDM Technology in Wireless Communication System

Zou Yang，Cui Jindou，Yu Jiaxin，Wang Weiping
(China Luoyang Electronic Equipment Test Center,Jiyuan 459000,China)

MIMO technology,using multiple transmitting and receiving antennas at the transmitting end and the receiving end,could exponentially improve the capacity and channel utilization of the communication systems without incraesing the bandwidth.OFDM technology,which divids the channel and executes serial-parallel conversion in available spectrum,could make the symbol period of the sub channel increase,then reduce or even avoid ISI in each sub channel to withstand channel fading.By describing the priciple of MIMO-OFDM and deducing the channel capacity expression,the approximate formula of channel capacity is obtained.Later,combining the advantages of both,a MIMO-OFDM wireless communication system is constructed,then using MATLAB to simulate the combination of MIMO and OFDM,modulation mode,numbers of transmitting and receiving,then the influence factors of the system error rate can be obtained qualitatively.

MIMO-OFDM;Channel capacity;WLAN;Space-time coding;Wireless communication;Error rate;QPSK modulation

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.009

TP311

A

1002-2279-（2017）04-0030-05

邹杨（1987—），男，安徽省亳州市人，工程师，主研方向：无线通信。

2016-10-26