OFDM技术与MIMOOFDM技术及其性能比较.docx
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OFDM技术与MIMOOFDM技术及其性能比较
OFDM技术与MIMO-OFDM技术及其性能比较
何江萍
【摘要】正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输方案,具有良好的频带利用率,减少了保护带宽.多输入多输出(MIMO)系统是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线.采用MIMO技术可以提高信道容量和信道可靠性,降低误码率.MIMO-OFDM技术是MIMO与OFDM技术结合形成的一种技术,该技术是在OFDM系统中采用阵列天线实现空间分集,提高了信号质量.本文阐述了OFDM和MIMO-OFDM技术基本原理,并对其性能进行了比较.
【期刊名称】《甘肃科技》
【年(卷),期】2006(022)005
【总页数】3页(P57-59)
【关键词】OFDM;MIMO;MIMO-OFDM;性能比较
【作者】何江萍
【作者单位】兰州商学院,信息工程学院,甘肃,兰州,730020
【正文语种】中文
【中图分类】基础科学
第22卷第5期2006年5月甘捕科技Vol.22No.5May.2006GansuScie正ceandTechnologyOFDM技术与MIMO÷OFDM技术及其性能比较何江萍(兰州商学院信息工程学院,甘肃兰州730020)摘要:
正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输方案,具有良好的频带利用率,减少了保护带宽。
多输入多输出(MIMO)系统是指在发射揣和接收端分别设直多副发射天线和接收天线。
采用MIMO技术可以提高信道容量和信道可靠性,降低误码率。
MIMO一OFDM技术是MIMO与OFDM技术结合形成的一种技术,该技术是在OFDM系统中采用阵列天线实现空间分集,提高了信号质量。
本文阐述了OFDM和MIMO一OFDM技术基本原理,并对其性能进行了比较。
关键词:
OFDM;MIMO;MIMO一OFDM;性能比较中图分类号:
TN911.31引言OFDM的英文全称为OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexi吨,中文含义为正交频分复用技术。
OFDM并不是一个新兴的技术,其概念于20世纪50-60年代提出,20世纪90年代后,OFDM开始被欧洲和澳大利亚应用于广播信道的宽带数据通信、DBA、DVB-T、HDTV和WLAN等领域。
OFDM能够有效地对抗多径传播,使受到干扰的信号能够可靠地接收。
OFDM码率低,又加入了时间保护间隔,系统不受码间干扰的困扰。
然而,对于高速无线通信,单纯的OFDM系统对抗元钱环境中的多径衰落是不够的,必须和MIMO技术结合起来,才能更好地发挥其功效。
MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流,这样就有效地提高了系统的传输速率,即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。
因此,可以将OFDM和MIMO相结合形成MIMO-OFDM技术。
这种技术能达到两种效果:
一种是实现很高的传输速率,另一种是通过分集实现很强的可靠性。
现在MIMO一OFDM技术被视为第四代移动通信核心技术之一。
2OFDM技术OFDM是特殊的多载波传输方案,既可以看做调制技术也可以看做复用技术。
OFDM系统是将高速串行数据分成多路低速并行数据,并分别对不同的载频进行调制。
假设输入数据信元的速率为R,经过串井转换后,分成N个并行的子数据流,每个子数据流的速率为R/N,在每个子数据流中的若干个比特分成一组。
N个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT变换,将频域信号转换到时域,经过并/串转换后发射。
接收端接收到的信号是时域信号,此信号经过解调和串/并转换后就得到输出数据。
例如N表示子信道的个数,T表示OFDM符号的宽度,也,(i=o,l,…,N-1)是分配给每个子信道的数据符号,£.是第0个子载波的载波频率,rectCt)=l,ItI《T/2,则从t=t。
开始的OFDM符号可以表示为:
N-1s(t)={艺~rect(t一句-T/2)巳xp[j;πCfc+i/T)Ct=乌)]}to《1:
:
:
;二to+Ts(t)=Ot
在接收端,将接收到的同相和正交分量映射回数据信息,就完成了载波解调。
在OFDM系统中,每个子载披在一个OFDM符号用期内都包含整数倍个用期,而且各个相邻的子载波之间相差1个周期。
这一特性就称之为正交性,即:
↓JJexp(jw0t)ex阳mt)d叫:
m~n(Z)IUm弓En如对式
(1)中的第J个子载波进行解调,然后在时间T内进行积分,可以看到,对于其它载波,由于第22卷第5期2006年5月甘捕科技No.5May.2006GansuScie正ceandTechnologyOFDM技术结合形成的一种技术,该技术是在OFDM系统中采用阵列天线实现空间分集,提高了信号质量。
本文阐述了OFDM和MIMO一OFDM技术基本原理,并对其性能进行了比较。
关键词:
OFDM;MIMO;MIMO一OFDM;性能比较1引言OFDM的英文全称为OrthogonalFrequency世纪0-60年代提出,20世纪90年代后,OFDM开始被欧洲和澳大利亚应用于广播信道的宽带数据通信、DBA、DVB-T、HDTV和WLAN等领域。
OFDM能够有效地对抗多径传播,使受到干扰的信号能够可靠地接收。
OFDM码率低,又加入了时间保护间隔,系统不受码间干扰的困扰。
然而,对于高速无线通信,单纯的OFDM系统对抗元钱环境中的多径衰落是不够的,必须和MIMO技术结合起来,才能更好地发挥其功效。
MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流,这样就有效地提高了系统的传输速率,即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。
MIMO-OFDM技术。
这种技术能达到两种效果:
一种是实现很高的传输速率,另一种是通过分集实现很强的可靠性。
现在MIMO一OFDM技术被视为第四代移动通信核心技术之一。
2OFDM技术OFDM是特殊的多载波传输方案,既可以看做调制技术也可以看做复用技术。
OFDM系统是将高速串行数据分成多路低速并行数据,并分别对不同的载频进行调制。
假设输入数据信元的速率为,经过串井转换后,分成N个并行的子数据流,每个子数据流的速率为R/N,在每个子数据流中的若干个比特分成一组。
N个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT变换,将频域信号转换到时域,经过并/串转换后发射。
接收端接收到的信号是时域信号,此信号经过解调和串/并转换后就得到输出数据例如N表示子信道的个数,T表示OFDM符号的宽度,也,(i=o,l,…,N-1)是分配给每个子信道的数据符号,£.是第0个子载波的载波频率,rectCt)=l,ItIN-1s(t)={艺~rect(t一句-T/2)巳xp[j;πCfc+i/T)Ct=to《1:
:
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;二to+Ts(t)=Ot
在接收端,将接收到的同相和正交分量映射回数据信息,就完成了载波解调。
在OFDM系统中,每个子载披在一个OFDM符号用期内都包含整数倍个用期,而且各个相邻的子载波之间相差1个周期。
这一特性就称之为正交性,即:
↓JJexp(jw0t)ex阳mt)d叫:
m~n(Z)IUm弓En如对式
(1)中的第J个子载波进行解调,然后在时间T内进行积分,可以看到,对于其它载波,由于58甘肃科技第22卷在积分间隔内,频率差别Ci一j)可以产生整数倍个周期,故积分为零。
而对第]个子载波进行解调时,可以恢复出期望符号。
这里发射机和接收机所需的子载波是正弦信号发生器产生的,且相关接收时各自载波要准确的同步,因此当系统子信道数很多时,系统就显得非常的复杂和昂贵。
为简化正弦发生器阵列,使用快速傅立叶变化CFFT)电路,实现OFDM系统中的调制与解调的功能。
此外应用OFDM的一个最主要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,使得每个用于去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,可以在每个OFDM符号之间插人循环前缀,这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。
加入循环前缀的FFT和IFFT实现的OFDM系统的原理如图L图lOFDM系统原理固现阶段OFDM在许多领域也得到了广泛的应用。
因为它具有如下的优势:
第一,抗衰落能力强。
OFDM把用户信息通过多个子载披传输,在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍,使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。
同时,通过子载波的联合编码,达到了子信道间的频率分集的作用,也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。
第二,频率利用率高。
OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道,提高了频率利用效率。
第三,适合高速数据传输。
OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。
因此,OFDM技术非常适合高速数据传输。
此外,抗码间干扰CISD能力强。
码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰。
OFDM由于采用了循环前缀,对抗码间干扰的能力很强。
OFDM也存在着不足之处,首先对频率偏差敏感,OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。
频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化,仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB.1OFDM系统的另一个主要缺陷就是峰值功率与平均功率比过高的问题,OFDM发射机的输出信号的瞬时值会有较大的波动。
这要求系统内的一些部件具有很大的线性动态范围。
反过来,这些部件的非线性也会对动态范围较人的信号产生非线性失真,所产生的谐波会造成了沾道间的相互十扰,从而影响OFDM系统的性能。
3MIMO技术MIMO技术由来已久,是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线。
MIMO系统利用多天线抑制信道衰落。
MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线〈或阵列天线)和多通道,它的多人多出是针对多径无线信道来说的。
可以看出,此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。
也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高元线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。
MIMO系统模型如图所示,发射天线数为M,接收天线数为N,信道为准静态平坦瑞利衰落。
一一-,v尸---..........'¥r一「--1编码调制:
\IJH\!
/:
I糊糊」+L一__J-斗\\/T刊一一一」图2MIMO系统MIMO可以成倍提高衰落信道的信道容量。
根据信息论,在每个天线发送信号能分离的情况下,信道容量C为:
C=log2d巳t〔IN+Cp/M)HH*](3)式中:
IN为单位矩阵;H为信道矩阵;p为发射总功率。
在理想情况下,信道容量随M和N的最小值线性增加,从而提供目前其他技术无法达到的容量潜力。
其次,由于多天线阵发送和接收技术是空间分集与时间分集技术的结合,有很好的抗干扰能力,进一步将多天线发送和接收技术与信道编码技术结合,可以极大地提高系统性能利用MIMO信道提供的空间复用增益,MIMO技术可以提高信道的容量,利用MIMO信道提供的空间分集增益可以提高卷在积分间隔内,频率差别Ci一j)可以产生整数倍个周期,故积分为零。
而对第]个子载波进行解调时,可以恢复出期望符号。
这里发射机和接收机所需的子载波是正弦信号发生器产生的,且相关接收时各自载波要准确的同步,因此当系统子信道数很多时,系统就显得非常的复杂和昂贵。
为简化正弦发生器阵列,使用快速傅立叶变化CFFT)电路,实现OFDM系统中的调制与解调的功能。
此外应用OFDM的一个最主要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,使得每个用于去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,可以在每个OFDM符号之间插人循环前缀,这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。
加入循环前缀的FFT和IFFT实现的OFDM系统的原理如图L图lOFDM系统原理固第一,抗衰落能力强。
OFDM把用户信息通过多个子载披传输,在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍,使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。
同时,通过子载波的联合编码,达到了子信道间的频率分集的作用,也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。
第二,频率利用率高。
OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道,提高了频率利用效率。
第三,适合高速数据传输。
OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。
因此,OFDM技术非常适合高速数据传输。
此外,抗码间干扰CISD能力强。
码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰。
OFDM由于采用了循环前缀,对抗码间干扰的能力很强。
OFDM也存在着不足之处,首先对频率偏差敏感,OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。
频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化,仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB.1OFDM系统的另一个主要缺陷就是峰值功率与平均功率比过高的问题,OFDM发射机的输出信号的瞬时值会有较大的波动。
这要求系统内的一些部件具有很大的线性动态范围。
反过来,这些部件的非线性也会对动态范围较人的信号产生非线性失真,所产生的谐波会造成了沾道间的相互十扰,从而影响OFDM系统的性能。
3MIMO技术MIMO技术由来已久,是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线。
MIMO系统利用多天线抑制信道衰落。
MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线〈或阵列天线)和多通道,它的多人多出是针对多径无线信道来说的。
可以看出,此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。
也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高元线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。
MIMO系统模型如图---..........'¥r一「--1编码调制:
\IJH\!
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I糊糊」+L一__J-斗\\/T刊一一一」MIMO系统MIMO可以成倍提高衰落信道的信道容量。
在理想情况下,信道容量随M和N的最小值线性增加,从而提供目前其他技术无法达到的容量潜力。
其次,由于多天线阵发送和接收技术是空间分集与时间分集技术的结合,有很好的抗干扰能力,进一步将多天线发送和接收技术与信道编码技术结合,可以极大地提高系统性能利用MIMO信道提供的空间复用增益,MIMO技术可以提高信道的容量,利用MIMO信道提供的空间分集增益可以提高第5期何江萍:
OFDM技术与时IMO一OFDM技术及其性能比较59信道的可靠性,降低误码率。
4MIMO-OFDM技术在未来的宽带无线通信系统中,存在两个最严峻的挑战:
多径衰落信道和带宽效率。
OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道,减小了多径衰落的影响。
而MIMO技术能够在空间中产生独立的井行信道同时传输多路数据流,有效地提高了系统的传输速率,即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。
这样,将OFDM和MlMO两种技术相结合,就能达到很高的传输速率和很强的可靠性。
同时,在MIMO一OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。
MIMO-OFDM技术可以为系统提供空间复用增益,从而大大增加信道容量。
这种信道容量的增加不占用额外的带宽,也不消耗额外的发射功率,因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。
MIMO一OFDM系统有多个发送天线和接收天线。
在发送端和接收端各设置多重天线,可以提供空间分集效应,克服电波衰落的影响。
这是因为安排恰当的多幅天线提供多个空间信道,不会全部同时受到衰落。
输入的比特流经传并转换分为多个分支,每个分支都进行OFDM处理,再经过天线发送到无线信道中,接收端进行与发射端相反的信号处理过程,来完全恢复原来的比特流。
5系统性能及结论OFDM技术被认为是4G的核心技术,在OFDM的基础上使用MIMO技术,也就是使用MlMO-OFDM技术,可以提供更高的系统性能。
MIMO技术与OFDM技术相结合是无线通信领域智能天线技术的重大突破。
MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地增加通信系统的容量和频谱利用率;而OFDM技术被普遍认为是新一代无线通信系统必须采用的关键技术。
目前,各国模拟蜂窝移动通信已有很大发展,但仍满足不了需求,解决当前移动通信所面临的问题,采用MIMOOFDM技术是一种十分有效的方式。
参考文献:
[l]王文博郑侃宽带无线通信OFDM技术人民邮电出版丰上2003.6[2]韩旭东,张春业MIMOOFDM无线局域网的性能分析及其实现计算机工程2004.11[3]佟学俭罗涛OFDM移动通信技术原理与应用人民邮电出版社2003.6[4]子妹,李开成ofdm技术性能仿真北方交通大学学报2004.6.....“……………….......................·..........….....................................................................·......….”......·...(上接第56页)通过上图,我们可以很清晰的将本系统的需求分析表达出来,可以看出UML图形语言的优越性,可以基本体现系统各角色之间的协作关系。
虽然用例图只能体现系统具有哪些功能,但它是整个建模过程的基础,可以完整表示出客户的需求。
在系统开发的分析阶段所要解决的问题可以用UML的逻辑视图和动态视图来描述,运用协作图、状态图、序列图、活动图和状态图描述系统的动态特征,为问题领域进行类建模。
在系统的设计阶段,要把分析阶段的成果扩展成技术方案,通过技术基础结构一一用户接口和数据库操作等。
在系统的程序设计阶段,将UML模型转换成源代码,再对其加以修改,使其满足系统要求。
虽然,本文只把需求分析部分的建模过程进行了详细的描述,但这足以看出UML确实是协同工作环境设计中较实用的工具。
虽然还处于研究的初步阶段,但相信经过研究人员的努力,将会有进一步的深入了解和发展。
参考文献:
[l]裴云彰,史元春,徐光佑5分布式计算下的协同工作环境[JJ小型微型计算机系统.1999.8[2]顾君忠;计算机支持的协同工作导论[M].清华大学出版社;2002[3]毛启容;实时分布式协同工作环境的研究与开发[DJ.江苏大学;20020301[4]Bannon,L.;Schmidt,L.CSCW:
FourCharactersinSearchofaContext.ProceedingsoftheFirstEuropeanConferenceonComputerSupportedCooperativeWorkAnInternationalJournal.Gatwick,UK,Bowers,J.,Benford,丘,Eds.;North-Holland:
Amsterdam,1989.ReprintedinStudiesinComputerSupportedCooperativeWork:
Theory,PracticeandDesign.[5]Schmidt,L.;Bannon,L.TakingCSCWSeriouslySupportingArticulationWork.InComputerSupportedCooperativeWorkAnInternationalJournal;KluwerAcademicPublishers:
London,UK,1992.[6]KevinL.Mills;Computer-SupportedCooperativeWork;EncyclopediaofLibraryandInformationScience,2003期何江萍:
OFDM技术与时IMO一OFDM技术及其性能比较在未来的宽带无线通信系统中,存在两个最严峻的挑战:
多径衰落信道和带宽效率。
OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道,减小了多径衰落的影响。
而MIMO技术能够在空间中产生独立的井行信道同时传输多路数据流,有效地提高了系统的传输速率,即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。
这样,将OFDM和MlMO两种技术相结合,就能达到很高的传输速率和很强的可靠性。
同时,在MIMO一OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。
MIMO-OFDM技术可以为系统提供空间复用增益,从而大大增加信道容量。
这种信道容量的增加不占用额外的带宽,也不消耗额外的发射功率,因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。
MIMO一OFDM系统有多个发送天线和接收天线。
在发送端和接收端各设置多重天线,可以提供空间分集效应,克服电波衰落的影响。
这是因为安排恰当的多幅天线提供多个空间信道,不会全部同时受到衰落。
输入的比特流经传并转换分为多个分支,每个分支都进行OFDM处理,再经过天线发OFDM技术被认为是4G的核心技术,在OFDM的基础上使用MIMO技术,也就是使用MlMO-OFDM技术,可以提供更高的系统性能。
MIMO技术与OFDM技术相结合是无线通信领域智能天线技术的重大突破。
MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地增加通信系统的容量和频谱利用率;而OFDM技术被普遍认为是新一代无线通信系统必须采用的关键技术。
目前,各国模拟蜂窝移动通信已有很大发展,但仍满足不了需求,解决当前移动通信所面临的问题,采用MIMOOFDM技术是一种十分有效的方式。
参考文献:
[l]王文博郑侃宽带无线通信OFDM技术人民邮电出版丰上2003.6[2]韩旭东,张春业MIMOOFDM无线局域网的性能分电出版社2003.6子妹,李开成ofdm技术性能仿真北方交通大学学报通过上图,我们可以很清晰的将本系统的需求分析表达出来,可以看出UML图形语言的优越性,可以基本体现系统各角色之间的协作关系。
虽然用例图只能体现系统具有哪些功能,但它是整个建模过程的基础,可以完整表示出客户的需求。
在系统开发的分析阶段所要解决的问题可以用UML的逻辑视图和动态视图来描述,运用协作图、状态图、序列图、活动图和状态图描述系统的动态特征,为问题
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