信道估计的四种方法（信道估计）
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什么是MIMO OFDM技术
摘要
第四代移动通信提供了高数据传输速率，而MIMO和OFDM提高了频谱效率，从而提供了高传输速率和系统容量。两者的结合已经成为第四代移动通信技术研究的热点。这两种技术通过优势互补，可以为系统提供高传输速率，同时可以提高系统容量，降低成本。本文详细介绍了这两种技术。
图一。采用MIMO-OFDM技术的新标准。
一.导言
第四代移动通信目前还没有确切的定义，但约定俗成的解释是：“第四代移动通信的概念可称为宽带接入和分配网络，具有非对称和超过2 Mbit/s的数据传输能力，它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作广播网络和卫星系统。此外，第四代移动通信系统将是一个多功能的综合宽带移动通信系统，可以提供高达100Mbit/s甚至更高的数据传输速率，同时也是一个宽带接入IP系统”。简单来说，4G就是一个超高速的无线网络，一条不需要线缆的信息高速公路。这样就可以在有限的频谱资源上实现高速大容量，这就需要频谱效率极高的技术。MIMO技术充分开发空间资源，利用多根天线实现多发射多接收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍增加信道容量。OFDM技术是多载波传输的一种。其多载波相互正交，可以高效利用频谱资源。此外，OFDM通过将总带宽分成几个窄带子载波，可以有效抵抗频率选择性衰落。因此，充分挖掘这两种技术的潜力，将它们结合起来，可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案。这里详细介绍这两种技术及其组合方案。
第二，MIMO技术
MIMO(多输入多输出)系统的原理图如图1所示。这项技术由马可尼在1908年首次提出，它使用多个天线来抑制信道衰落。MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多个发射天线和接收天线。其出发点是将多个发射天线和多个接收天线结合起来，提高每个用户的通信质量(如误码率)或通信效率(如数据速率)。MIMO技术本质上为系统提供了空间复用增益和空间分集增益。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集可以提高信道可靠性，降低信道误码率。通常，多径被认为是有害因素，因为它导致衰落。然而，对于MIMO，多径可以用作有利因素。MIMO技术的关键在于它可以将传统通信系统中存在的多径衰落因素转化为对用户通信性能有利的增强因素。MIMO技术可以有效地利用随机衰落和可能的多径传播来成倍提高业务传输速率，因此可以在不增加占用信号带宽的情况下，将无线通信的性能提高几个数量级。假设发射端有N个发射天线和m个接收天线，在发射天线和接收天线之间形成一个MN的信道矩阵H。在某个时间T，信道矩阵是：
如果发射功率被平均分配给每个发射天线，则容量公式为：
这时，可以得到容量的近似表达式：
从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增加而线性增加。也就是说，利用MIMO信道可以成倍增加无线信道的容量，在不增加带宽和天线发射功率的情况下，成倍提高频谱利用率。使用MIMO技术可以使信道的容量增加一倍，提高信道的可靠性，降低误码率。前者是MIMO信道提供的空间复用增益，后者是空间分集增益pro
根据频域多径信道的频率选择性衰落特性，提出了正交频分复用调制技术。如图2所示，正交频分复用的基本原理是通过串并转换将高速数据流分配到几个传输速率相对较低的子信道上，在频域上将信道分成几个相互正交的子信道。每个子信道都有自己的载波用于调制，信号通过每个子信道独立传输。如果每个子信道的带宽足够窄，则每个子信道的频率特性可以近似视为平坦的，即每个子信道都可以视为没有ISI的理想信道，这样就可以在接收端可靠地解调接收信号，而不需要使用复杂的信道均衡技术。在OFDM系统中，在OFDM符号之间插入保护间隔，以确保频域子信道的正交性，并消除OFDM符号之间的干扰。
然而，应当注意，在发送端实际发送的OFDM时域序列的长度是Nd Nc，并且Nd是OFDM符号可以传输的频域符号的数量。前面加上长度为Nc的序列称为CyclicPrefix或GuardInterval，使得前一个OFDM符号对当前OFDM符号的干扰只影响循环前缀部分，不会影响当前OFDM符号，从而有效消除OFDM符号间的干扰(ISI)。循环前缀的引入会降低系统的传输效率，但保证OFDM子载波间的正交性，消除OFDM符号间的干扰是必须付出的代价。OFDM技术之所以越来越受到关注，是因为OFDM有很多独特的优势：
(1)频谱利用率非常高，频谱效率接近串行系统的两倍。这在频谱资源有限的无线环境中非常重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，理论上其频谱利用率可以接近奈奎斯特极限。
(2)抗多径干扰和频率选择性衰落能力强。由于OFDM系统将数据分散在许多子载波上，大大降低了每个子载波的符号率，从而减弱了多径传播的影响。如果使用循环前缀作为保护间隔，符号间干扰甚至可以完全消除。
(3)采用动态子载波分配技术可以使系统达到最大比特率。通过选择每个子信道、每个符号的比特数和分配给每个子信道的功率，总比特率被最大化。即各子信道的信息分配要遵循信息论中的“注水定理”，即优质信道多传输，差信道少传输，差信道不传输的原则。
(4)通过子载波的联合编码，可以具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身利用了信道的频率分集。如果衰落不是特别严重，就不需要添加时域均衡器。然而，通过联合编码每个信道，可以提高系统性能。
(5)基于离散傅里叶变换(DFT)的OFDM算法速度快，OFDM采用IFFT和FFT实现调制解调，易于DSP实现。
图2 OFDM系统框图
第四，MIMO和OFDM的结合
MIMO系统可以在一定程度上利用传播中的多径分量，也就是说MIMO可以抵抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统还是无能为力。目前，解决MIMO系统中频率选择性衰落的方案一般是采用均衡技术，另一种是采用OFDM。大多数研究者认为，OFDM技术是4G的核心技术，需要一种频谱利用率极高的技术，OFDM在提高频谱利用率方面的作用毕竟有限。合理开发空间资源，即MIMO-OFDM，在OFDM的基础上可以提供更高的数据传输速率。此外，ODFM由于其低比特率和时间保护间隔的加入，具有很强的抗多径干扰能力。因为多径延迟小于保护间隔，所以系统不受符号间干扰的干扰，这允许单频网络(SFN)用于宽带OFDM系统，该系统由多个天线实现，即使用由大量低功率发射机组成的发射机阵列
在该方案中，数据经历两次串并行转换。首先，将数据分成N个并行数据流，将N个数据流中的第N个数据流(n [1，N])第二次串并转换为L个并行数据流，分别对应L个子载波，对这L个并行数据流进行IFFT变换，将信号从频域转换到时域，再从第N个数据流(n [1，N])开始转换，这样总共传输NL个M-QAM符号。假设整个MIMO系统具有n个发射天线和m个接收天线。接收端m(m[1，M])天线接收的第一个子载波的接收信号为：
其中Hm，n，l为第n个发射天线到第m个接收天线在第一个子载波频率上的信道矩阵，假设接收端已知信道矩阵，Cn，l为第n个发射天线在第一个子载波频率上发射的符号，m，l为第m个接收天线在第一个子载波频率上接收的高斯白噪声。这样，接收端接收到的第一个子载波频率上的n个符号就可以用V-BLAST算法解码，重复L次就可以恢复NL个M-QAM符号。
4.1MIMO-OFDM信道估计
在发射分集OFDM系统中，只有当接收机具有良好的信道信息时，空时码才能被有效解码。估计信道参数的困难在于，每个子载波对应于每个天线的多个信道参数。但幸运的是，对于不同的子载波，同一个空分信道的参数是相关的。根据这种相关性，可以得到参数的估计方法。MIMO-OFDM系统一般有三种方法信道估计：非盲信道估计，盲信道估计，半盲信道估计。下面介绍三种方法信道估计。
4.1.1非盲性信道估计
盲信道估计是在发送端发送导频信号或训练序列，接收端根据接收到的信号估计导频或训练序列处的信道参数，然后根据导频或训练序列处的信道参数获得数据信号处的信道参数。当信道是时变信道时，即使是慢时变信道，也需要周期性地发送训练序列，以便及时更新信道估计。这种方法的优点是估计误差小，收敛速度快，缺点是因为发送导频或训练序列而浪费了一定的系统资源。
4.1.2失明信道估计
盲信道估计是在不知道导频或训练序列的情况下，利用信道的输出和与输入相关的统计信息来估计信道参数。其优点是传输效率高，缺点是鲁棒性相对较差，收敛速度慢，计算量大。
4.1.3半盲信道估计
半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来的。它使用尽可能少的导频信号或训练序列来确定blind信道估计算法所需的初始值，然后使用blind信道估计算法来跟踪和优化信道参数。由于盲信道算法的高计算复杂度，仍然存在许多问题，难以应用。半盲信道估计算法有望在非盲算法和盲算法之间做出妥协，从而降低计算复杂度。可以预期，盲和半盲信道估计的研究将成为MIMO-OFDM信道估计的研究热点。
动词（verb的缩写）结束语
未来的宽带无线通信系统面临两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM频率选择性多径衰落信道在频域上转换为平坦信道，降低了多径衰落的影响，而MIMO技术可以在空间上产生独立的并行信道，同时传输多个数据流，从而有效提高系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。这样，OFDM和MIMO技术的结合可以达到两个效果：一是实现高传输速率，二是通过分集实现强可靠性。同时，在MIMO-OFDM中加入合适的数字信号处理算法可以更好地增强系统的稳定性。MIMO-FDM技术是OFDM和MIMO技术相结合而形成的新技术。通过在OFDM传输系统中使用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，充分利用了时间、频率和空间三种分集技术，大大增加了无线系统对噪声、干扰和多径的容忍度。因此，基于OFDM的MIMO系统具有接近极限的容量和良好的抗衰落特性。可以预见，它将是下一代网络采用的核心技术。
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