4G中的MIMO―OFDM原理及关键技术解析

【摘 要】4G移动通信是往代通信的技术进步，4G移动通信中所涉及的重要技术有OFDM技术、MIMO技术以及MIMO-OFDM技术相结合的关键技术。技术专利的分布和发展应用就是MIMO技术与OFDM技术的完美结合，使得4G移动通信能够有效对抗频率选择性衰落问题、提高数据传输速率、还能增大系统容量。

【关键词】MIMO -OFDM原理；关键技术；4G

0 前言

近年，我们的手机网络在不断地更新换代，由原来的2G网络逐渐发展到4G网络，这既要归功于移动公司的推广，又要归功于网络研发工作者的辛勤工作。虽然4G移动通信在描绘高速的数据传输，提供从语音到多媒体业务丰富业务美好前景，但是随着4G网络的不断推广，单一的MIMO技术或单一的OFDM技术已经不能满足人们对网络的需求，这就需要我们将MIMO-OFDM技术结合起来构成4G网络的核心。

1 MIMO-OFDM原理

1.1 MIMO技术原理

首先，MIMO技术原理在移动通信工程中的运用并不是近几年才提出的，所以对该技术的接受程度还是良性的。MIMO技术原理就是将已经存在的多径传播和随机衰弱进行高效率的重新利用，达到更好的传输速度和效率。MIMO的中文名称就是多输入和多输出，所以顾名思义就是通过对多天线的控制来减少信道衰弱问题的发生。多并行的天线空间信道能够进行同时的发送和接收，就能够在不同的环境中，针对不同的用户，都提供最完美的技术体验。

1.2 OFDM技术原理

频分复用、多载波并行传输等通信技术概念是在上个世纪50年代末中就予以提出的，所以OFDM的技术也是在不断发展的过程中，应用到各个领域、环节，也在移动通信中得以普及和成熟的。OFDM技术从发展及应用角度上，大致可分为五个阶段：极低频谱效率的频率复用阶段，最早的高频谱效率的多载波通信系统阶段，多载波理论发展阶段，无线移动通信系统理论形成阶段，从理论到实用阶段。

1.3 MIMO-OFDM技术结合的原理

MIMO-OFDM技术的结合就是当代4G移动无线通信系统的核心领域，更是解决了无线信道频率的选择性问题。作为核心领域，MIMO-OFDM 系统的关键技术主要包括信道估计，同步技术，空时处理技术，分集技术等。MIMO-OFDM技术结合的原理就是，先利用MIMO技术的多天线设备优势的多输入和多输出，进行对信号OFDM的接收，然后专用OFDM进行时频同步处理，紧接着去掉相应的CP，还有对OFDM进行解调环节，最后根据信道估计的结果进行检测解码，恢复出接收比特流。

2 4G中的MIMO-OFDM同步问题的研究

2.1 MIMO-OFDM同步问题

作为第四代移动通信的科学技术核心，MIMO-OFDM技术顾名思义是来自OFDM技术和MIMO技术的完美结合。MIMO-OFDM技术是通过将时间，频率，和空间三种分集技术进行充分的利用后，将各自技术的优势发挥出来，使得无线通信系统对噪声干扰性能增强，对多径的容限能力大大增加。MIMO-OFD同步技术中主要所涉及的同步技术有载波同步、符号同步和帧同步三大技术，这三大技术之间的嵌合就是形成MIMO-OFDM同步技术和核心。

2.2 MIMO-OFDM同步研究现状

就MIMO-OFDM同步研究现状而言，国外的研究水平较之国内，相对较高。美国的加州大学、瑞的士联邦理工学院、日本的北海道大学都在该领域有着自己的研究方向和研究成果。国内MIMO-OFDM同步技术应用的起步较晚，采用该技术的无线传输平台也是为数不多，所以对MIMO-OFDM同步技术的研究相对落后。兼并国内外的研究水平来看，MIMO-OFDM同步技术还是存在诸多问题的，普遍存在的有MIMO-OFDM运用于商业化的平台时，虽然是功能强大，但是因为复杂度高，导致灵活性差；MIMO-OFDM运用于演示平台，因为只针对特定的技术标准实现特定的功能，导致难以应对各层次人士的应用需要，受到限制。

2.3 MIMO-OFDM同步方式

MIMO-OFDM的同步方式是当各个接收天线收到对应的OFDM符号信号后，对其设置时频的同步处理，去掉对应的CP，再对其 OFDM进行解调，然后再对其进行解码，这时就要依据信道估计的结果，恢复并且接收比特流。MIMO 系统对于频率选择性衰落无能为力，OFDM又在提高系统容量的能力有限，所以构建MIMO-OFDM的同步技术还是需要实现诸如同步、空时处理技术、自适应调制和编码、信道估计等关键技术。

3 MIMO-OFDM的关键技术

3.1 信道估计技术

在无线通信系统中，最显著的两大特征就是多径性和时变性。准备的信道估计技术非常重要的体现在空时编码过程中，必须要在接收端保证能够对信道特性进行完全掌握。[2]就目前的发展现状而言，信道估计技术主要分为基于训练序列或导频的方法和用盲方法来进行信道辨别，分为全盲和半盲信道估计，前者使用的是已知训练序列估计均衡器系数，后者直接对均衡器系数进行估计，所以两种信道估计技术各有优劣。信道估计技术仍然在不断的发展和创新，找出影响信道估计的关键因素，将各类影响因素运用到模拟信道中，通过与实际的真实信道进行的对比结果，改进了信道估计的算法。信道估计技术在提及到MIMO-OFDM技术后的首要反应技术。

3.2 空时信号处理技术

在MIMO-OFDM同步技术中，时空信号处理技术的存在地位可想而知。时空信号处理技术就是在对相应信号的实部或者虚部进行取反操作，之后将其输出结果被映射到不同的发送天线发送出去。时空信号处理技术与传统的无线通信信号的处理方式对比，最大的优势就是可以突破性的从时间和空间两方面同时研究信号进行处理意见分析。目前，在时空信号处理技术中常用的空时编译码有分层空时码、空时格形码、空时分组码和空时频编码这四种编码。

3.3 分级技术

分级技术也被称之为分集技术，在传统无线通信技术中，表现出来的不可靠性就是因为分级技术的不成熟。[1]无线衰落信道时变和多径特性引起的系统对噪声、干扰、多径等因素的抗性降低的现象就是分级技术所需要迫切解决的问题。MIMO-OFDM的同步技术就是在不增加功率和不牺牲带宽的情况下，减少多径衰落对基站和移动台的影响的技术保障。分级技术还能有效的保障无线频率使用的有效性，以前相同数量的无线频谱开展更多的实际应用。

3.4 同步技术

MIMO-OFDM系统同步问题包括载波同步、符号同步和帧同步这三大同步问题。载波同步致力于子载波间的正交性，避免输出信号幅度衰减及信号相位旋转等问题的产生；符号同步和帧同步与载波同步密切相关的后续同步技术，接收端选择信噪比最高的天线信号进行顿检测和后续的同步。

4 结语

随着现代通信技术的不断发展，对移动通信的技术、性能等方面都相应的提出了新的要求，提供了新的市场。传统的有线通信模式已经在可靠性、可用性、抗毁性等很多方面出现了漏洞，所以应运新生的现代无线通信就突出的表现出在特殊环境、地貌中，不受限制的优越性。MIMO技术和OFDM技术各有其优缺点，将这两者结合起来会发挥更大的作用。

【参考文献】

[1]白洁，张健华.“MIMO OFDM 系统定时与多径时延估计”[J].北京邮电大学学报，2015，10，28（5）.

[2]陈宏.MIMO- OFDM系统原理及其关键技术[J].中国无线电，2013（10）：57-62.