MIMO-OFDM

Outline 1.簡介 2. MIMO系統介紹 3. OFDM系統介紹 4.結論

1.簡介

近年研究表示，透過編碼技術已經可以在單天線的傳輸環境下來逼近Shannon 傳輸率的理論值，然而這樣的傳輸速率已經不足以滿足使用者的要求，為了尋求更高的傳輸率利用多重天線的技術來增加頻譜效率來達到較高速率，是目前普遍的趨勢，此一技術稱為多重輸入多重輸出系統（MIMO 系統）。如何利用MIMO 系統在無線的傳輸中來達到高速傳輸將是第四代移動通訊系統成功實現的關點。

MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）系統，其最早是由Marconi 於1908 年提出的，它利用多天線來抑制頻道衰落。根據收發兩端天線數量，相對於普通的SISO（Single-Input Single-Output）系統，MIMO 還可以包括SIMO（Single-Input Multiple-Output)系統和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統。此時頻道容量隨著天線數量的增大而線性增大。也就是可以利用MIMO 頻道來成倍地提高無線頻道容量，在不增加無線頻寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。MIMO 系統在一定程度上可以利用傳播中的多重路徑，也就是說可以抗多徑衰落，然而對於頻率選擇性深衰落，MIMO 系統卻是無能為力。目前解決MIMO 系統中的頻率選擇性衰落的方案是結合OFDM。目前大多數研究都認定OFDM 技術將會是4G 的核心技術，4G為需要極高頻譜利用率的技術，然而OFDM 提高頻譜利用率的作用也是有限的，在OFDM 的基礎上合理開發空間資源，就是MIMO 加入OFDM，將可以提供更高的數據傳輸速率。另外OFDM 由於碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由於多徑延遲小於保護間隔，所以系統不受碼間干擾(ISI)的困擾。

OFDM 由於具有較高的頻譜效率和抵抗多徑干擾的能力，成為目前解決高速數據傳輸的主流技術之一，已成功用於DVB、ADSL 以及802.11 系統，使其在無線移動通訊中的應用具有良好的基礎。正交分頻多工(OFDM)可以視為一種調變技術，也可視為一種多工的技術。OFDM 是一種多載波(Multicarrier)的傳送方式，將欲傳送的資料串，透過數個傳輸速率較低的子載波來傳送。使用OFDM 的優點之一是對於頻率選擇性衰減(Frequency Selective Fading) 或窄頻干擾(Narrowband Interference)有較佳的抵抗能力。在單一載波系統中，例如GSM 系統，通道的各種衰落效應可能會造成整個通訊的中斷，但在多載波的系統中，因每個載波同時受到衰落而中斷的機率很小，故可用錯誤更正編碼(Error Correction Coding)技術將這些錯誤更正，這種觀念就是所謂的平行資料傳輸(Parallel Data Transmission)及分頻多工(Frequency Division Multiplexing)，並結合頻率分集(Frequency Diversity)等技術。

所以MIMO-OFDM 的結合是目前被視為第四代通訊系統中較具潛力的方法，由於結合了MIMO 與OFDM 兩種技術，因此具有兩者的優點。

1.可提升系統link 品質：MIMO-OFDM 可利用時間、頻率和空間的三個自由度，使無線傳輸系統對雜訊、干擾及多路徑之容忍度大幅提升。

2.提升頻譜使用效率：就提高系統傳輸率的目標而言，單純使用OFDM技術的通訊系統需要增加次載波的數量，如此將造成系統頻寬需求及複雜度增加，這對頻寬和功率受限的無線通訊系統較不適合。但若結合了MIMO技術，則OFDM系統即能在不增加頻寬和功率的前提下，提高系統的容量和頻譜使用效率。

2. MIMO系統介紹

多輸入多輸出（Multi-input Multi-output ; MIMO）是一種用來描述多天線無線通訊系統的抽象數學模型，能利用發射端的多個天線各自獨立發送訊號，同時在接收端用多個天線接收並恢復原資訊。該技術最早是由馬可尼於1908年提出的，他利用多天線來抑制通道衰落（fading）。根據收發兩端天線數量，相對於普通的單輸入單輸出系統（Single-Input Single-Output，SISO），MIMO 此類多天線技術尚包含早期所謂的「智慧型天線」，亦即單輸入多輸出系統（Single-Input Multi-Output，SIMO）和多輸入單輸出系統（Multiple-Input Single-Output，MISO）。

由於 MIMO 可以在不需要增加頻寬或總發送功率耗損（transmit power expenditure）的情況下大幅地增加系統的資料吞吐量（throughput）及傳送距離，使得此技術於近幾年受到許多矚目。MIMO 的核心概念為利用多根發射天線與多根接收天線所提供之空間自由度來有效提升無線通訊系統之頻譜效率，以提升傳輸速率並改善通訊品質。

SISO、SIMO、MISO和MIMO系統之間的關係

多種MIMO模式

空間復用MIMO系統的出現已吸引了眾多人的關注。空間復用MIMO方法已被建議用來解決任何/所有無線通信問題。實際上，有四種獨立的多天線MIMO技術可供系統設計師選擇。

Ø 空間復用(SM-MIMO)。在無線信道的本征模式(eigen-mode)，多個天線被用來創立空間上獨立的鏈接。空間復用系統通過在不同發射天線上發射不同數據來提升吞吐率，這樣就可在不增加帶寬的前提下，顯著提升吞吐率。空間復用系統的缺點是在接收器側需高度複雜的矩陣轉換操作，而且當系統進入「全復用」(空間流數等於發射天線數，也就等於接收天線數)模式時，對信道損害更敏感。

Ø 空-時編碼(STC-MIMO)。空間-時間編碼系統通過在分別定義為時間、頻率和空間的三坐標信令系統外增加冗余的方法來獲得編碼增益。它們還可用於提供發射多樣性增益。與空間復用系統比，STC-MIMO系統在提高通信魯棒性時並不顯著增加吞吐率增益。此外，STC-MIMO很適合發射器也許使用多於接收器天線的非對稱條件。

Ø 分集系統(DIV-MIMO)。分集是多天線處理的傳統形態，它在發射器和接收器間創建獨立信道，並在全部獨立信道上發射相同信號並將接收到的信號以最優化的方式組合起來，能應對快速衰減的影響。

Ø 智能天線(SA-MIMO)系統。它是一種可在特定指向上自動適應波束或波束零點(beam-null)的自適應相陣天線系統。

MIMO在軍事通信領域的應用

MIMO技術的實在好處並非僅是簡單地提升吞吐率或可靠性，而是當恰到好處地與射頻的其它因素結合起來時，MIMO可實現真正具有豐富模式的射頻——而這正是適合於高樓林立的都市以及森林地帶所具有的非視域(NLOS)環境的理想射頻技術。這種能力使支持MIMO的系統展示出超越以往單天線射頻的彈性並能更好地滿足戰鬥人員和操作環境的需要。

用於軍事通信的例子：

Ø 對通信中心來講(即：地面指揮所、艦對岸或艦對艦通信)，在高吞吐率模式可以高於100Mbps的速率傳輸數據。

Ø 在非NLOS環境，射頻可利用一種物理模式(如把數據速率降低為10Mbps)以換取更高的服務質量(QoS)。在城市環境中在不同街道行進的一隊坦克可繼續進行交叉通信。

Ø 在利用干擾裝置力圖施擾通信的環境下，一個通過多個信道發送冗餘數據的模式可確保接收機接收到未被干擾的數據。完整性和一致性可拯救生命並有助於使命的完成。

Ø 在移動環境(即：在開闊地帶行駛的坦克或軍車、搜索目標區域的無人駕駛偵察機)，可採用另一個模式在快速移動的目標間實現高速數據通信。

Ø 對隱蔽應用，一些方案可借助豐富的MIMO模式，如採用超低發射功率模式、以降低的數據速率發射數據來消隱電氣痕跡。

Ø 對實時視頻監視應用(即：邊界或周邊監控、實時戰場監控)而言，可採用高吞吐率、高QoS模式。

Ø 對網狀網來說，一些方案借助了所有反射的好處(即：信號會在數百輛裝甲車輛間發生反射和折射)來提升性能，與此相比，目前的單天線系統在苛刻、強干擾環境下無法正常工作。

3. OFDM系統介紹

正交分頻多工 (OFDM)在 1960年代中期就已經被提，但是當時製作正交多載波的硬體相當困難且昂貴,又加上當時的數位信號處理技術也不發達,因此正交分頻多工此項技術並沒有廣泛的使用。直到1971年Weistein及 Ebert提出利用離散傅立葉轉換(DFT)來取代類比多載波的設計， OFDM的技術才獲得重視。接著 1980年Peled及Ruiz提出利用循環字首 (Cyclic Preﬁx, CP)來解決多重路徑干擾下的Inter Symbol Interference(ISI)的問題。

在 OFDM系統中,輸入信號要以區塊處理,經過反快速傅立葉轉換 (Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)後,再經過一連串的處理傳送出去。在通訊系統中,根據載波的個數可以區分為單一載波(Single Carrier)與多載波(Multi Carrier)兩種通訊系統。單一載波就是將欲傳輸的訊號載在唯一的一個載波上依序傳輸訊號 ,而多載波系統即是將欲傳輸的訊號分配到多個載波上做平行傳輸, OFDM系統即為一種多載波通訊系統。

傳統的多載波系統是將整個傳輸頻帶切分成N個沒有互相重疊的子載波 (Subcarrier),並且子載波與子載波之間會有一段保護頻帶,來避免每個子載波傳輸所產生的交互間干擾,這種方法即是分頻多工。雖然這種方法能利用多載波傳輸,並且具有避免每個子載波在傳輸過程中產生互相干擾之優點，但是這種方法在頻寬的使用效率上卻是十分的浪費頻寬,如圖1所示。於是利用兩兩子載波正交即不會產生交互間干擾的概念，使得系統的子載波兩兩正交,因此子載波之間只須保持最小的間隔 1/T ，這樣就可以使子載波在頻譜上重疊而不會互相干擾,並且能有效的節省頻寬，如圖 2所示。這種利用子載波互相正交,避免彼此間干擾,而且有效節省頻寬的特性，所設計的系統即稱為OFDM系統。

圖1. 一般分頻多工系統頻帶使用

圖2. OFDM系統頻帶使用

FFT與FFT反變換：在OFDM調變中最關鍵的運算就是IFFT，類似地，OFDM解調的核心為FFT。寬頻系統中的高FFT吞吐率是至關重要的，尤其是在FFT被多工數據通道共享時。

在WiMAX以及3GPP LTE這類現代可擴展無線系統中，在執行中可重新配置的能力同樣成為系統要求的一個重要指標。可變串流模式下的FFT MegaCore函數瞄準的是可重新配置的無線通訊，是設計OFDM系統時的一個很好選擇。

在多輸入輸出(MIMO)系統中進行OFDM調變的一個很直接的作業就是複製數據通道，包括用於每一根天線的FFT核心。

一種資源更友好的解決方案是共享每條天線的FFT核心。為實現MIMO中的FFT再使用，FFT核心的頻率至少要比基頻數據傳輸速率快n倍，這裡的n為天線的根數。當結合MIMO、TDD和FDD時，同一個FFT核心能在兩維上被共享，代價是需要pre-FFT數據緩衝。

圖6描述的是TDD模式下一種雙天線MIMO發射器的基本配置。FFT核心被兩條天線以及發送和接收器再使用。循環前綴的插入和移除控制單元必須能夠用於發射和接收。由於時脈頻率的差異，每根天線的post-FFT數據處理需要一個雙緩衝器。

圖6：雙天線MIMO TDD系統中OFDM調變解調的FFT核心共享

OFDM優勢特點

Ø OFDM 調製頻帶利用率高、抗脈衝雜訊特性好，不過該系統網路上要有數位信號處理器來提供高速資料服務，系統實現起來相對複雜一點。

Ø OFDM 技術能夠應對隨時可能出現的干擾信號，它可對使用多種頻率方面存在的一些問題進行快速修正，並可以對那些在通信傳輸過程中遭到破壞的信號資料位元進行自動重建。

Ø OFDM 技術通過在複數的高速的射頻上對傳送的信號進行編碼，讓被傳輸的信號在傳輸過程中不容易被竊取，從而保證信號傳送具有更高的安全性。

Ø OFDM 技術對傳輸線路上的多路徑外界信號干涉有較強的抵抗力，它不僅可以克服信號傳輸的障礙，而且還能提高通信傳輸的速度，因此在一些惡劣環境中通訊它將非常有吸引力。

Ø OFDM 技術每赫茲的帶寬更高，這樣無線系統的容量也就更大，而且它抗信號衰落性能更好，目前 OFDM 技術已經被採用在無線局域網環境中，在未來該技術能使無線通信速度達到 10 Mbit/s 左右。

Ø OFDM 技術通過提供佇列服務，來解決了在移動傳輸高速資料時所引起的無線通道性能變差的問題，從而克服傳輸介質中外界信號的干擾，提高傳輸通道的通信品質。

Ø OFDM 技術既可用於移動的無線網路，也可以用於固定的無線網路，它通過在樓層、使用者、交通工具和現場之間的信號跳換，解決其中的資訊衝突問題。

4.結論

雖然具有種種優點，但是對於頻率選擇性衰落，MIMO技術依然是無能為力的。目前解決MIMO技術中的頻率選擇性衰落的方案可以結合OFDM技術，將頻率選擇性衰落轉換為子載波上的平坦衰落。另外，OFDM技術是未來移動通信網的核心技術，而OFDM提高頻譜利用率的作用有限，在OFDM的基礎上合理開發空間資源，也就是「MIMO+OFDM」的方案，就可以提供可靠的數據傳輸速率。

近來種種跡象表明，「無線+寬頻」已成為未來無線通信的重要賣點。MIMO和OFDM技術的結合，可以利用時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。為了進一步提高系統傳輸速率，使用OFDM技術的無線通信網要增加載波的數量，而這種方法會造成系統複雜度的增加，並增大系統的帶寬，這對今天的帶寬受限和功率受限的無線通信網系統就不太適合了。而MIMO技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率，因此將MIMO技術與OFDM技術相結合是適應下一代無線網絡發展要求的。

「MIMO+OFDM」技術可以為系統提供空間復用增益，從而大大增加信道容量。MIMO技術的空間復用就是在接收端和發射端使用多個天線，充分利用空間傳播中的多徑份量，在同一頻帶上使用多個數據通道（MIMO子信道）發射信號，從而使容量隨著天線數量的增加而線性增加。這種信道容量的增加不佔用額外的帶寬，也不消耗額外的發射功率，因此是增加信道和系統容量的一種非常有效的手段。

在下一代無線通信系統的研究中，人們充分重視到了MIMO和OFDM的結合帶來的種種好處，不僅能提高無線傳輸速率，在傳輸的可靠性方面也表現優異，這使得「MIMO+OFDM」方案成為寬頻無線通信領域非常重要的技術之一。