信息论作业--陈嘉明2012021750.doc

有关MIMO与MIMO-OFDM的研究 陈嘉明 2012021750 电子与通信工程 ，广东省广州大学城华南师范大学 254424387@ 摘要—MIMO-OFDM作为MIMO和OFDM技术的结合，不仅可以高速率、大容量地通信传输，而且有很好的抗噪声和多径的能力。近年来，MIMO-OFDM正成为无线通信研究的一个热点。然而目前对MIMO-OFDM的研究大多都还只是停留在各部分的理论阶段，很少有实际的完整系统的建立。 香农公式给出信道的可能实现的传输速率的极限值，但是最初的香农公式并不包括空间分集的情况。本文将从单天线的香农公式出发，推导到多天线的信道容量极限值。然后推导多天线的OFDM信号模型，再对信号进行分析。 关键字— MINO, OFDM, 信道容量, SIMO 引言 无线通信发展到了今天，越来越多服务内容对数据传输速率提出了越来越高的要求。而频谱资源严重不足已经日益成为制约无线通信事业发展的瓶颈。因此，如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，成为当今无线通信技术研究的热点之一。在提高频谱利用率的同时，保证传输的可靠性也是一个重要的问题。未来的无线通信应用对应用环境有更高的要求，这就要求新的无线通信技术能够适应更加恶劣的信道，能够克服各种不利影响，比如多径衰落。 MIMO和OFDM技术正是在这样的大前提下被提出来的，成为当今无线通信研究的热点。OFDM（正交频分复用）是一种高效的调制方式，因其优越的抗多径能力和频谱利用率而被广泛地应用到宽带数字通信的各个领域。MIMO（多输入多输出）技术可以通过各个发送天线间的联合编码获得分集增益，从而提高可靠性，也可以通过空间复用获得成倍增长的信道容量。 MIMO-OFDM概述 MIMO概述 MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)作为近年来新兴起的一项技术，是现代通信技术的一个重大突破。MIMO技术提供了解决无线通信容量瓶颈的可能性，这对将来的无线通信非常重要。MIMO技术可能应用于将来的B3G和宽带无线局域网中。 MIMO系统可以简单的理解为一个多输入多输出系统，即有多个发送天线和多个接受天线的系统。如下图1所示： 图1 MIMO系统简单示意图 在图中有个发送天线和个接受天线。每个发送天线上发送的内容不同。而且，若各发送天线间的信道相应独立，则多输入多输出系统就可以创造多个并行空间信道，所以各接收天线接收到的内容也会不同。这样接收方就能获得比单天线系统更加的信息量。这信息量可以提高数据传输速率，也可以用来提高数据传输性能。这就是MIMO系统的基本思想。 不同的天线发送的内容不同，这不同的内容需要经过特殊的编码。MIMO系统的一个核心内容是空时信号处理。空时编码的核心思想是通过空时联合处理来获得空间复用增益或者空间分集增益。目前已经有大量的空时编码的研究成果，并且对于空时码的研究也一直在继续。获得空间复用增益的编码方式有分层空时码。它能够在不多占用信道带宽的前提下成倍的提高系统信道容量。获得空间分集增益的编码方式有空时格码和空时分组码。空时格码可以获得最大的空间分集增益，但是其解码的复杂度会随着记忆长度的增加而指数上升。 OFDM概述 OFDM（正交频分复用）是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。 在传统的FDM系统中，发送端在不同的频率上发送信号，个个频段之间没有任何同步。在OFDM系统中，准备在各个频段上发送的数据被组合成一个单独的复用数据流，这些数据是由多个子载波密集打包组成的，然后在OFDM系统中传输。在OFDM信号内的所有子载波都在时间和频率上同步，使子载波之间的干扰被严格控制。这些复用的子载波在频域上交错重叠，但因为调制的正交性且采用循环前缀作为保护间隔，所以不会发生载波间干扰。下图2为OFDM系统中子信道符号的频谱： 图2 OFDM系统中子信道符号的频谱 从上图可以看出，相互覆盖的各个子信道内经过矩形波成型得到的符号的函数频谱。在每个子载波频率的幅度最大之处，所有其他子信道的频谱值恰好为0.这就是正交性的概念。在对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率上的幅度最大值，所以，可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会收到其它子信道的干扰。而传统的FDM系统中，两个信道之间存在较大的频率间隔即保护并防止带来的干扰，这就降低了全部的频谱利用率。所以，OFDM系统能够有比