低频部署下MIMO-OFDM 通信系统的频谱利用效率分析

2024-05-13樊恒波李秀成王江超

通信电源技术 2024年4期

樊恒波，李秀成，王江超

(中通服咨询设计研究院有限公司,北京100062)

0 引言

为解决中国高频段无线电频段资源紧张问题，研究人员关注低频部署下的多进多出-正交频分复用（Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MIMO-OFDM）通信系统。该系统结合了MIMO 技术和OFDM 技术，通过多天线和子载波传输数据，提高信道容量和信号覆盖范围，增强抗干扰能力和频谱利用率。此外，还引入空间分集和空时编码等技术，以进一步提升系统性能，改善用户感知体验。

1 MIMO-OFDM 通信系统的基础知识

1.1 MIMO 技术的原理与应用

1.1.1 MIMO 技术的原理

MIMO 技术是基于多个天线之间的独立传输通道传输数据，在发送端使用多个天线同时发送不同的数据流，并在接收端使用多个天线接收这些数据流，工作原理如图1 所示，减小信号在传播过程中受到的干扰和衰减。MIMO 技术的主要优势是在有限的频谱和时间资源内提高系统的数据传输速率与可靠性。在MIMO 系统中，通过独立天线发送的信号之间的传播路径不同，导致接收端收到的信号是不同路径上信号的叠加。这种空间多样性使得系统能够更有效地应对信道中的衰落和干扰[1]。

图1 MIMO 技术的原理

1.1.2 MIMO 技术的应用

MIMO 技术在无线通信领域如无线局域网和移动通信系统中有着广泛的应用。例如，在长期演进（Long Term Evolution，LTE）标准中，应用MIMO 技术可以提高数据传输速率和系统容量。此外，MIMO 技术应用于蜂窝网络、卫星通信等领域，能够为各种通信场景提供灵活和高效的解决方案。

1.2 OFDM 技术的原理与特点

1.2.1 OFDM 技术的原理

OFDM 技术是将信号分成多个正交的子载波进行传输，有效抵抗多径传播引起的时延扩展。OFDM 技术采用频分复用的方式，将高速数据流分割成多个低速子流，每个子流在不同子载波上传输。这些子载波间正交，彼此不会产生干扰。在接收端，通过对各个子载波进行解调和合并，可以还原原始的高速数据流[2]。

1.2.2 OFDM 技术的特点

（1）抗多径干扰。由于采用多个正交子载波，OFDM 系统能够有效应对多径传播引起的时延扩展。每个子载波拥有独立的传播路径，信号可以经过不同的路径到达接收端，从而减小多径干扰的影响。

（2）频谱利用效率高。OFDM 系统将高速数据流分割成多个低速子流，每个子流占据不同的频带，从而实现频谱的高度复用。这种并行传输的方式可以提高频谱利用效率，使系统在有限的频谱资源下传输更多的数据。

（3）适应性调制。OFDM 系统可以根据实时信道条件动态地调整子载波的调制方式。在较好的信道条件下，可以采用更高阶的调制方式以提高数据传输速率；在较差的信道条件下，系统可以自适应地选择更为稳定的调制方式，以保障数据传输的可靠性和稳定性。

（4）抗频率选择性衰落。由于子载波之间正交，系统对频率选择性衰落的敏感性较低，能够有效防范信号在频率上衰落引起的传输质量下降问题。

2 低频部署对MIMO-OFDM 系统的影响

2.1 低频部署对信号传输性能的影响

在低频部署下，信号的传输性能会受一系列因素的影响。一是信号衰减，由于低频信号的波长相对较长，信号在传播过程中易产生大范围的自由空间路径损耗，且低频部署下信号的衰减相对较大，降低信号的传输强度。这种衰减可能导致信号质量下降，影响MIMO-OFDM 系统的传输性能。二是多径效应，在低频部署环境中，由于信号波长相对较长，多径效应可能更为显著。多径效应导致信号在传播过程中经历多个路径，在接收端产生时延扩展和相位失真，对于MIMO 系统的信号接收和解调产生负面影响，降低系统性能。三是干扰，低频信号更易受外部电磁干扰的影响，如电源线干扰、天气影响等。这些干扰源可能导致信号出现抖动、失真等问题，影响MIMOOFDM 系统的稳定性和性能。因此，在低频部署下，需要更加关注系统对于外部干扰的抗性[3]。

2.2 低频部署对频谱利用效率的影响

频谱利用效率是衡量通信系统性能的关键指标之一。在低频部署下，频谱利用效率可能面临以下挑战。

一是信号穿透能力。低频信号相对于高频信号具有更强的穿透能力，能够更好地穿透障碍物，如建筑物和植被。尽管这有助于扩大通信覆盖范围，但也可能导致频谱的非均匀利用，使得一部分频谱资源被浪费在无须覆盖的区域。

二是抗干扰能力。由于低频信号更容易受外部干扰的影响，系统的抗干扰能力可能下降。这会导致频谱资源被额外的干扰占用，从而减少可用频谱的有效利用率。因此，在低频部署下，需要采取有效的抗干扰措施，以维护系统的频谱利用效率。

三是覆盖范围和穿透能力的平衡。低频部署下，需要平衡覆盖范围和穿透能力之间的关系。频谱资源的均匀利用需要考虑信号的传播范围，同时确保在有需要的区域内提供足够的信号强度。

3 频谱利用效率分析与优化策略

3.1 频谱利用效率的评估指标与方法

采用一系列合适的评估指标和方法全面评估低频部署下MIMO-OFDM 系统的频谱利用效率，频谱利用效率评估指标和分析方法主要有5 种。

3.1.1 信噪比

信噪比是衡量信号质量的重要指标之一。在低频部署环境下，信号衰减和多径效应等因素会导致信号质量下降。因此，测量接收到的信号与噪声之比可以评估信号的清晰度和系统的稳定性。

3.1.2 系统容量

系统容量是指在单位频谱资源下通信系统能够支持的最大用户数量或数据传输速率。在低频部署下，信号衰减和频谱利用不均匀会对系统容量造成影响。因此，评估系统容量可以了解系统在不同频率条件下的性能。

3.1.3 频谱利用率

频谱利用率是指实际使用的频谱资源与总可用频谱资源的比例。在低频部署环境中，信号的穿透能力和频谱的非均匀利用会对频谱利用率造成影响。

3.1.4 比特误码率

比特误码率是衡量数据传输质量的指标，在无线通信中更为关键。低频部署下，由于信号衰减和多径效应，比特误码率可能上升。

3.1.5 频谱效率分析

分析低频部署环境中信号的频谱分布，可以了解不同频段的利用状况，从而有利于找出频谱利用效率低的区域，并提出相应的优化策略。利用MATLAB软件仿真MIMO-OFDM 通信系统中行人模型和车辆模型2 个信道模型的频谱效率，仿真结果如图2 所示。由图2 可知，在低信噪比情况下，车辆信道模型相比行人模型有着更高的频谱效率，随着信噪比的逐步增加，两者的频谱效率趋于一致且达到最大值后不再增加。

图2 MIMO-OFDM 通信系统的频谱效率结果

3.2 针对低频部署的MIMO-OFDM 系统的优化策略

低频部署下，为提高MIMO-OFDM 系统的性能和频谱利用效率，需要采取一系列有效的优化策略。

一是天线配置优化，通过优化天线配置，如天线数量和天线间距等参数，可以提升系统在低频环境下的信号接收和传输性能。天线配置的合理设计有助于克服低频环境中的信号衰减和多径效应。

二是信道编码改进，采用更为高效的信道编码方案可以提高系统对于信号干扰和噪声的容忍度。在低频部署下，信号质量可能下降，因此采用更强大的信道编码是提升系统性能的有效手段。

三是功率控制策略，在低频部署环境中，采用智能的功率控制策略，根据实时信道状况调整发送端的功率水平，可以有效提高系统的抗干扰能力和频谱利用效率。

四是频谱资源动态分配，采用动态频谱资源分配策略，根据不同区域的需求调整频谱资源的分配情况，有助于在低频部署下更均匀地利用频谱资源，提高系统整体的频谱利用效率[4]。

五是引入智能重传机制，针对低频环境中可能出现的信号丢失问题，引入智能的重传机制，根据信道状况自适应地进行数据重传，有利于改善系统的可靠性和性能。

4 低频部署的MIMO-OFDM 系统的适用场景

4.1 农村和偏远地区通信覆盖

在农村和偏远地区，通信基础设施相对薄弱，地理环境复杂，传统通信系统可能面临覆盖范围狭窄、信号弱等问题。低频部署的MIMO-OFDM 系统在这种场景下具有显著优势。一是强大的穿透能力，低频信号具有更强的穿透力，能更好地穿透建筑物和植被等障碍物，实现更广泛的通信覆盖，满足农村和偏远地区广泛分布的通信需求。二是抗多径效应的优势，由于地形复杂，农村和偏远地区通常受多径效应的影响，低频部署下MIMO-OFDM 系统对多径效应具有一定的抗性，有助于提升信号的传输质量[5]。三是低频广播的经济性，低频信号在广播方面具有较好的经济性，能够覆盖更广阔的地域，降低基站的部署成本。

4.2 高层建筑内部通信环境

在建筑物内部通信系统中，由于建筑结构的复杂性，传统通信系统受阻挡和多径效应的影响，信号覆盖不均匀。在这种场景下，低频部署的MIMO-OFDM 系统具有以下优势：一是信号穿透建筑，低频信号能够更好地穿透建筑物，达到高层建筑内部的各个角落，使通信覆盖更加均匀。二是抗多径效应。高层建筑内部通信环境复杂，多径效应常常导致信号的时延扩展和相位失真。低频部署下MIMO-OFDM 系统对多径效应的抗性有助于提升信号的传输质量，降低通信中断的概率。三是低频信号的稳定性，在高层建筑内部，高频信号更易受到衰减和反射等影响，而低频信号在这种环境中更为稳定，保障通信的可靠性。