第一章 绪论
1.1 课题背景
无线通信与个人通信在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通信、从FDMA到卡口系统CDMA的巨大发展，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据；第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9.6Kbit/s，最高可达32kbit/s；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbit/s；随着第三代移动通信(3G)陆续在各国投入商业运营，必将给人们的生活带来更多的方便。但是，由于移动通信用户业务需求量急剧增加，人们已经开始意识到3G提供的最高2M的数据业务能力已经不能满足未来移动通信高速数据业务以及多媒体业务的要求。如何在有限的频谱上提供更多的，质量更高的多媒体业务，无线传输技术将成为未来移动通信系统必须解决的问题。过去所采用的一些成熟的无线技术，例如窄带信道中的调制技术，由于其速率的限制，已渐渐被宽带信道调制技术所代替，对宽带信道的传输性能及调制技术的研究已经达到前所未有的高度。 新一代移动通信系统的目标是更高的数据率、更好的业务质量(QoS)、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的灵活性；能支持非对称业务，并能支持多种业务。为
了实现这一目标，需要克服很多技术挑战,。无线移动通信系统面临的是十分恶劣的移动无线信道，在这样的信道里，由于多径传播，会引起信号在时间上展宽并带来频率选择性衰落；移动终端或其周围物体处在运动时，信道的时变特性会引起信号频谱的展宽。
因此，计划以OFDM[1-2](正交频分复用)为核心技术提供服务，它在宽带领域的应用具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种新技术的OFDM具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去。OFDM技术已经成功应用于非对称数字用户环路(ADSL)，数字音频广播(DAB)，高清晰度电视(HDTV)，无线局域网(WLAN)等系统中，它可以有效消除多径传播造成的ISI现象的特性使得它在移动通信中的应用也是大势所趋。
同时，过去的单天线系统已不再能满足日益增长的系统容量的要求，多输入多输出的多天线系统开始得到越来越多的关注，多输入多输出技术(MIMO)是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破， MIMO技术在发送端和接收端采用多天线和多通道。由于各发送天线同时发送的信号占用同一个频带，因而不需要增加带宽。若各发射接收天线间的信道冲击响
应相互独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立的传送信息，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，因此，对它的研究便成为一个必然。香农定律指出，在高信噪比通信环境下，单天线系统信噪比增加3dB能使信道容量大约增加1bits/cycle，贝尔实验室的E.Telatar，语音输入系统G.J.Foschini和M.J.Gans[4]分别经过研究指出：对于满足独立瑞利衰落的n发射天线n接收天线系统，尤其当n很大时，每3dB的信噪比增量能使信道容量增幅达到n bits/cycle，从而为探求高速无线通信指明了新的方向。
因此，将这两种技术的优势结合起来[3-4]构成的MIMO-OFDM系统便成为下一代移动通信中无线传输链路的主要备选方案之一。
1.2 OFDM的基本原理
正交频分复用[2]（OFDM）技术是一种特殊的多载波传输方案，以其特殊的频谱结构（图1-1）引起了广泛的关注。 图1-1 OFDM频谱结构示意图
Figure 1-1 Frequency spectrum of OFDM system
OFDM并不是新生事物，它由多载波调制（MCM）发展而来，早在上世纪50年代就已经被提出。但由于OFDM的各个子载波之间相互正交，采用FFT实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为OFDM技术实现的制约条件。终于在20世纪80磨球年代，DSP技术获得了突破性进展，让FFT消弧消谐柜技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决。20世纪90年代以来，OFDM开始被应用于双向无线通信系统。
OFDM收发信机的基本原理图如图1-2所示：
图1-2 OFDM收发信机框图
Figure 1-2 Basic structure of OFDM transmitter and receiver
在发射端，调制器产生个数据符号,。这个符号将被复用到个子载波上。在实际系统中，通常取子载波数是2的幂次，这样傅立叶变换可用快速傅立叶变换（FFT）实现。在一个OFDM符号期间传输的时域采样由快速傅立叶反变换（IFFT）产生并加上循环前缀之后发射至信道。在接收端，首先从接收的时域采样中去掉循环前缀，数据采样经FFT产生接收到的频域数据。信道的脉冲响应在一个OFDM符号期间被认为是恒定的，这样每个OFDM符号周期才能描述为脉冲响应的点傅立叶变换。
在传统的并行通信系统中，整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道，各个子信道间还要留有保护间隔。这种做法，虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲频带利用率为代价，这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。 OFDM不存在这个缺点，它允许各载波间频率互相混叠，采用了基于载波频率正交的FFT调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波的正交。尽管还是频分复用，但已与过去的FDMA有了很大的不同：不再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是OFDM有别于其他系统的优点之一。OFDM的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波由于与所积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响。OFDM的高数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数
目就能提高数据的传送速率。OFDM每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性。因此OFDM是一种特殊的多载波传送方案，单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流，每个码流都用一条载波发送。OFDM弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式，转而选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形，两者频谱结构的对比如图1-3所示，因此我们说，OFDM既可以当作调制技术，也可以当作复用技术，OFDM具有增强抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。
图1-3 传统频分复用与隐蔽微型摄像机OFDM的信道分配对比
Figure 1-3 Comparison between traditional FDM and OFDM frequency spectrum
应用OFDM的一个很重要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每个用于调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况下，由于多径传播的影响，则会产生信道间的干扰ICI(Inter Channel Interference)，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径所造成的 ICI，OFDM 符号需要在其保护间隔内添加循环前缀信号，这样就可以保证在 FFT 周期内，OFDM 符号的延时副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生香蜜果 ICI。当子载波个数比较大时，OFDM 的符号周期 T 相对于信道的脉冲响应长度很大，则符号间干扰 ISI(Inter-Symbol Interference)的影响很小；而如果相邻 OFDM 符号间的保护间隔满足远远大于脉冲响应长度这个要求，则可以完全克服 ISI 的影响。同时为了保持子载波之间的正交性，该保护间隔必须是循环前缀，即
将每个 OFDM 符号的后保护间隔时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成前缀。
总之，OFDM技术之所以越来越受关注，正是因为OFDM的很多独特优点：
(1)频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。
