无线通信中的MIMO-OFDM技术研究与仿真
无线通信中的MIMO-OFDM技术研究与仿真[20200406123947]
摘要
由于人们对通信服务的需求逐渐上升，使得移动通信技术得到了快速的发展，这也促使研究人员不断提高数据的传输速率来满足大众需求，在研究中，新兴的MIMO-OFDM(Multiple Input and Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术逐渐在无线通信系统被采用。它是MIMO和OFDM技术的融合，不但能够将通信传输的容量有效地提高，而且还具有较好的抵抗噪声以及多径影响的特性，被大众认为是将来宽带无线领域中的重要技术。
本文对MIMO-OFDM系统中的关键技术进行研究，先对OFDM技术和MIMO技术进行简要的介绍，其中包含这两种技术的工作原理和发展历史，以及应用MIMO-OFDM技术所产生的重要作用和深远意义，紧接着以OFDM系统的原理和模型为基础，通过对MIMO-OFDM系统模型的介绍，从而讲述了其中的关键技术—信道估计技术，以及对LS信道估计技术进行大体上的介绍。最后通过Matlab软件对MIMO-OFDM系统进行仿真操作，进而对现有的系统在不同的信噪比环境下的性能进行研究与分析。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:OFDMMIMO信道估计
目 录
1. 绪 论 1
1.1 OFDM概述 1
1.2 MIMO概述 2
1.3 MIMO-OFDM概述 3
2.MIMO-OFDM系统 5
2.1 OFDM系统 5
2.1.1 OFDM基本原理 5
2.1.2保护间隔和循环前缀 7
2.1.3 OFDM系统模型 7
2.2 MIMO-OFDM信号模型 8
2.3 MIMO-OFDM的关键技术 9
3. MIMO-OFDM系统的仿真 11
3.1 MIMO-OFDM系统子模块 12
3.1.1 信源子模块 12
3.1.2 编解码子模块 13
3.1.3 信号调制和解调子模块 13
3.1.4 OFDM发送和接收子模块 13
3.1.5 并串和串并子模块 14
3.1.6 信道子模块 14
3.1.7 信道估计和信道补偿子模块 14
3.2系统仿真模型 15
3.3 分析仿真结果 16
结束语 18
参考文献 19
致谢 20
1. 绪 论
随着科技时代的逐渐发展，用户对于无线通信服务的需求在不断提高，这也给数据传输速率方面带来了一定程度的挑战，但是随着3G，4G等技术的研究，无线数据传输速率可以到达很高的程度，但不可忽视的是，有限的频谱资源限制了无线通讯的发展，故在有限的频谱资源下，得到较高的利用效率，这将会成为无线通讯研究方面的一大热门话题。众所周知，未来的无线通信在信道环境方面的要求肯定会逐步提高，这就代表着未来的无线通信技术在信道环境方面将会打破一个又一个的难题。
正交频分复用(OFDM)和多输入多输出(MIMO)因为分别具有较强的抗衰落特性以及较高频谱利用效率的优点而逐渐受到人们的青睐,被应用到实际的通信系统中。其中，通过OFDM技术的应用，能够实现将信道的状态由原本的频率选择性衰落转变为平坦的过程，这将会有利于减弱多径衰落产生的干扰影响。而MIMO技术在应用过程中，通过并行信道来传送多条数据流，就能够极大地提升数据的传输速率。这两种技术相互结合起来，可以弥补各自的不足之处，以便在无线信道上获得高速传输。
1.1OFDM概述
OFDM技术起源于上个世纪50年代，在其之后的十年中，出现了并行数据传输和频分复用想法的基本雏形。可是也因为有模拟滤波器的系统使用起来太复杂，而没有逐渐发展起来。到了70年代，离散傅里叶变换（DFT）的发表不仅帮当时的研究人员处理了多载波调制的疑问，而且它和OFDM技术的发展紧密相连，为其提供了坚实的理论基础。在80年代，L．J．Cimini对于无线通信中的OFDM技术所遇到的困难进行研究，给出了一套解决方案。自从他的研究之后，这种技术被广泛应用，展示出其广阔的研究前景[1]。
OFDM技术的主要过程是通过把高速率的数据流划分到许多速率相对较低的子信道上，由于分配到的这些子信道相互独立，而且相互呈正交的关系，所以在每个子信道上都可以有相应的子载波来分别进行调制信号的过程。因为子载波上的符号周期相应增加，所以缓解了在系统中多径时延产生的影响[2]。假如子信道符合一定的要求即它们所占的带宽足够窄，那么所对应的频率特性基本上可以看成是平坦的信道，所以在这种情况下的子信道可以被认为是没有符号间干扰的理想信道，有利于接收信号实现解调的过程[3]。因为在调制过程中，它们相互具有正交的关系，而且将循环前缀插入到保护间隔内，所以阻止了载波间干扰的发生。
OFDM技术能够快速发展，跟它的优势特点密不可分：
1.因为离散傅立叶变换和逆变换是OFDM技术的基础，而且使用者可以直接通过IFFT和FFT这两种方法来分别实现信号的调制和解调，所以这两种实现过程都很简单，便于使用者操作。
2. OFDM技术具有较强的抗多径干扰能力，它不仅缓解了多径产生的影响，而且在保护间隔内插入了循环前缀信号，所以阻止了干扰影响的产生。
3. OFDM技术的频谱利用率较高，由于现在的频谱资源是有一定限度的，所以频谱利用率较高的产品将会有更好的市场前景，更有利于自身的发展。
4. 这种技术可以通过子载波间的联合编码的方法，从而使得抗衰落能力大大加强，随之通信系统的性能得到了进一步的加强，奠定了系统实现的基础。
1.2 MIMO概述
人们为了抑制信道衰落产生的影响，通过不断地研究，多天线技术应运而生，在1908年的时候，Marconi就发表了这种技术。随着技术的发展，对于整个系统来说，MIMO技术已经不可或缺，它不仅提供了空间复用增益，还提供了空间分集增益，对通信系统起到了很大的作用，MIMO系统从它的定义角度来说可以理解成是一个多发送天线和多接收天线的通信系统[4]，下图为MIMO系统模型：
图1-1 MIMO系统模型
假设在图1-1表示的MIMO系统中发送天线以及接收天线的数量分别是N和M个，那么就可以通过一个N行M列的复矩阵H=[hij]N*M来表示该系统上的信道矩阵，其中的hij 表示为相应天线之间的信道衰落系数[5]，所以MIMO的信道容量C可以写成：
（1-1）
上式中的P是N个发射天线发射总功率之和，σ2是每个接收天线的噪声功率，以及 为H矩阵的共轭转置矩阵。
关于MIMO系统中的空时信号处理技术，它是该系统中的关键技术之一，它的工作过程是通过空时联合处理的方法来得到空间分集增益等，对于MIMO系统作用巨大[6]。现在，空时格码和空时分组码这2种编码方式则是可以获得空间分集增益的。
1.3 MIMO-OFDM概述
随着科技的发展，无线通信中多径衰落以及利用带宽的效率问题逐渐体现出来。但是从上文的介绍可以知道，这两个问题可以通过这两种技术得到很好的处理。一方面正交频分复用技术可以削减由多径衰落产生的影响，另一方面在不增加带宽的情况下，通过多输入多输出技术可以提高频谱的利用效率[7]。那么，把这两种技术结合在一起，就可以实现更高的传输速率以及传输的可靠性。
通过理论研究，可以知道在纠错编码以及载波带宽选择合理的情况下，使用OFDM技术能够排除多径衰落所带来的影响，所以假如没有功率和带宽等因素的限制，用户能够通过OFDM技术实现自己所需的传输速率，理论上是完全可以实现的，但是通过其他的技术却不能实现这种结果。这恰好说明了OFDM技术广泛应用于高速无线局域网的重要原因，随着用户需求的逐渐提高，使得设计人员想方设法提高系统的容量和数据的传输速率，多载波调制的方法也被应用到系统中[8]，然而在逐渐的研究与分析中，发现通过这种方法不仅增加了通信系统的复杂程度，而且也会带来提高带宽使用量的问题，不适合通信系统的设计和系统的进一步发展。虽然MIMO技术在一定程度上能够减弱多径衰落所产生的干扰影响，然而这种技术也存在不足之处，比如这种技术在频率选择性深衰落这个方面却是没有一点办法[9]。然而将这两种技术合理地结合到一起，就可以很好的解决上述问题的发生：通过OFDM技术可以将频率选择性深衰落信道变成若干个平坦衰落信道；而且研究者发现在不用提高带宽的条件下，使用MIMO技术不仅能够提高频谱利用的效率，而且还能增加系统的容量，对于整个通信系统来说作用很大[10]。根据相关的数据表明，OFDM通信系统在衰落信道的情况下可以通过MIMO技术来增加系统的容量，这种做法十分合理，从而也就诞生了MIMO-OFDM技术。
摘要
由于人们对通信服务的需求逐渐上升，使得移动通信技术得到了快速的发展，这也促使研究人员不断提高数据的传输速率来满足大众需求，在研究中，新兴的MIMO-OFDM(Multiple Input and Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术逐渐在无线通信系统被采用。它是MIMO和OFDM技术的融合，不但能够将通信传输的容量有效地提高，而且还具有较好的抵抗噪声以及多径影响的特性，被大众认为是将来宽带无线领域中的重要技术。
本文对MIMO-OFDM系统中的关键技术进行研究，先对OFDM技术和MIMO技术进行简要的介绍，其中包含这两种技术的工作原理和发展历史，以及应用MIMO-OFDM技术所产生的重要作用和深远意义，紧接着以OFDM系统的原理和模型为基础，通过对MIMO-OFDM系统模型的介绍，从而讲述了其中的关键技术—信道估计技术，以及对LS信道估计技术进行大体上的介绍。最后通过Matlab软件对MIMO-OFDM系统进行仿真操作，进而对现有的系统在不同的信噪比环境下的性能进行研究与分析。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:OFDMMIMO信道估计
目 录
1. 绪 论 1
1.1 OFDM概述 1
1.2 MIMO概述 2
1.3 MIMO-OFDM概述 3
2.MIMO-OFDM系统 5
2.1 OFDM系统 5
2.1.1 OFDM基本原理 5
2.1.2保护间隔和循环前缀 7
2.1.3 OFDM系统模型 7
2.2 MIMO-OFDM信号模型 8
2.3 MIMO-OFDM的关键技术 9
3. MIMO-OFDM系统的仿真 11
3.1 MIMO-OFDM系统子模块 12
3.1.1 信源子模块 12
3.1.2 编解码子模块 13
3.1.3 信号调制和解调子模块 13
3.1.4 OFDM发送和接收子模块 13
3.1.5 并串和串并子模块 14
3.1.6 信道子模块 14
3.1.7 信道估计和信道补偿子模块 14
3.2系统仿真模型 15
3.3 分析仿真结果 16
结束语 18
参考文献 19
致谢 20
1. 绪 论
随着科技时代的逐渐发展，用户对于无线通信服务的需求在不断提高，这也给数据传输速率方面带来了一定程度的挑战，但是随着3G，4G等技术的研究，无线数据传输速率可以到达很高的程度，但不可忽视的是，有限的频谱资源限制了无线通讯的发展，故在有限的频谱资源下，得到较高的利用效率，这将会成为无线通讯研究方面的一大热门话题。众所周知，未来的无线通信在信道环境方面的要求肯定会逐步提高，这就代表着未来的无线通信技术在信道环境方面将会打破一个又一个的难题。
正交频分复用(OFDM)和多输入多输出(MIMO)因为分别具有较强的抗衰落特性以及较高频谱利用效率的优点而逐渐受到人们的青睐,被应用到实际的通信系统中。其中，通过OFDM技术的应用，能够实现将信道的状态由原本的频率选择性衰落转变为平坦的过程，这将会有利于减弱多径衰落产生的干扰影响。而MIMO技术在应用过程中，通过并行信道来传送多条数据流，就能够极大地提升数据的传输速率。这两种技术相互结合起来，可以弥补各自的不足之处，以便在无线信道上获得高速传输。
1.1OFDM概述
OFDM技术起源于上个世纪50年代，在其之后的十年中，出现了并行数据传输和频分复用想法的基本雏形。可是也因为有模拟滤波器的系统使用起来太复杂，而没有逐渐发展起来。到了70年代，离散傅里叶变换（DFT）的发表不仅帮当时的研究人员处理了多载波调制的疑问，而且它和OFDM技术的发展紧密相连，为其提供了坚实的理论基础。在80年代，L．J．Cimini对于无线通信中的OFDM技术所遇到的困难进行研究，给出了一套解决方案。自从他的研究之后，这种技术被广泛应用，展示出其广阔的研究前景[1]。
OFDM技术的主要过程是通过把高速率的数据流划分到许多速率相对较低的子信道上，由于分配到的这些子信道相互独立，而且相互呈正交的关系，所以在每个子信道上都可以有相应的子载波来分别进行调制信号的过程。因为子载波上的符号周期相应增加，所以缓解了在系统中多径时延产生的影响[2]。假如子信道符合一定的要求即它们所占的带宽足够窄，那么所对应的频率特性基本上可以看成是平坦的信道，所以在这种情况下的子信道可以被认为是没有符号间干扰的理想信道，有利于接收信号实现解调的过程[3]。因为在调制过程中，它们相互具有正交的关系，而且将循环前缀插入到保护间隔内，所以阻止了载波间干扰的发生。
OFDM技术能够快速发展，跟它的优势特点密不可分：
1.因为离散傅立叶变换和逆变换是OFDM技术的基础，而且使用者可以直接通过IFFT和FFT这两种方法来分别实现信号的调制和解调，所以这两种实现过程都很简单，便于使用者操作。
2. OFDM技术具有较强的抗多径干扰能力，它不仅缓解了多径产生的影响，而且在保护间隔内插入了循环前缀信号，所以阻止了干扰影响的产生。
3. OFDM技术的频谱利用率较高，由于现在的频谱资源是有一定限度的，所以频谱利用率较高的产品将会有更好的市场前景，更有利于自身的发展。
4. 这种技术可以通过子载波间的联合编码的方法，从而使得抗衰落能力大大加强，随之通信系统的性能得到了进一步的加强，奠定了系统实现的基础。
1.2 MIMO概述
人们为了抑制信道衰落产生的影响，通过不断地研究，多天线技术应运而生，在1908年的时候，Marconi就发表了这种技术。随着技术的发展，对于整个系统来说，MIMO技术已经不可或缺，它不仅提供了空间复用增益，还提供了空间分集增益，对通信系统起到了很大的作用，MIMO系统从它的定义角度来说可以理解成是一个多发送天线和多接收天线的通信系统[4]，下图为MIMO系统模型：
图1-1 MIMO系统模型
假设在图1-1表示的MIMO系统中发送天线以及接收天线的数量分别是N和M个，那么就可以通过一个N行M列的复矩阵H=[hij]N*M来表示该系统上的信道矩阵，其中的hij 表示为相应天线之间的信道衰落系数[5]，所以MIMO的信道容量C可以写成：
（1-1）
上式中的P是N个发射天线发射总功率之和，σ2是每个接收天线的噪声功率，以及 为H矩阵的共轭转置矩阵。
关于MIMO系统中的空时信号处理技术，它是该系统中的关键技术之一，它的工作过程是通过空时联合处理的方法来得到空间分集增益等，对于MIMO系统作用巨大[6]。现在，空时格码和空时分组码这2种编码方式则是可以获得空间分集增益的。
1.3 MIMO-OFDM概述
随着科技的发展，无线通信中多径衰落以及利用带宽的效率问题逐渐体现出来。但是从上文的介绍可以知道，这两个问题可以通过这两种技术得到很好的处理。一方面正交频分复用技术可以削减由多径衰落产生的影响，另一方面在不增加带宽的情况下，通过多输入多输出技术可以提高频谱的利用效率[7]。那么，把这两种技术结合在一起，就可以实现更高的传输速率以及传输的可靠性。
通过理论研究，可以知道在纠错编码以及载波带宽选择合理的情况下，使用OFDM技术能够排除多径衰落所带来的影响，所以假如没有功率和带宽等因素的限制，用户能够通过OFDM技术实现自己所需的传输速率，理论上是完全可以实现的，但是通过其他的技术却不能实现这种结果。这恰好说明了OFDM技术广泛应用于高速无线局域网的重要原因，随着用户需求的逐渐提高，使得设计人员想方设法提高系统的容量和数据的传输速率，多载波调制的方法也被应用到系统中[8]，然而在逐渐的研究与分析中，发现通过这种方法不仅增加了通信系统的复杂程度，而且也会带来提高带宽使用量的问题，不适合通信系统的设计和系统的进一步发展。虽然MIMO技术在一定程度上能够减弱多径衰落所产生的干扰影响，然而这种技术也存在不足之处，比如这种技术在频率选择性深衰落这个方面却是没有一点办法[9]。然而将这两种技术合理地结合到一起，就可以很好的解决上述问题的发生：通过OFDM技术可以将频率选择性深衰落信道变成若干个平坦衰落信道；而且研究者发现在不用提高带宽的条件下，使用MIMO技术不仅能够提高频谱利用的效率，而且还能增加系统的容量，对于整个通信系统来说作用很大[10]。根据相关的数据表明，OFDM通信系统在衰落信道的情况下可以通过MIMO技术来增加系统的容量，这种做法十分合理，从而也就诞生了MIMO-OFDM技术。
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