MIMO-OFDM系统结构特点 - 无线通信网络设计与现场测试

　　二、MIMO-OFDM系统结构特点

　　上面已经提到，MIMO多重天线和OFDM调制方式相结合，可以满足非视距通信系统NLOS的要求。现在简单说说这种系统实际试用所采取的结构。关于发送分集的方案，这里对下行通路选用“时延分集”，它装备简单、性能优良，又没有反馈要求。它是让第二副天线发出的信号比第一副天线发出的延迟一时间。发送端引用这样的时延，可使接收地通路响应得到频率选择性。如采用适当的编码和穿插，接收端可以获得“空间——频率”分集增益，而不需预知通路情况。

　　新一代系统装用了改进的发送分集方案。它采用的空间时间编码是不需要反馈的编码，又采用根据通路统计性进行线性预编码，只需要很小反馈。在“空间——时间”编码方案，同一信号经过不同的编码后由多副天线发送。一般可利用分组码，在接收端用线性解码。线性预编码可以和“空间——时间”码结合使用，可能比时延分集系统获取2-6dB的增益，也可能比分组码获取3dB的增益。

　　也可能从两副基台天线发送两个各自编码的数据流。一个较高数据速率的信号可以是由低速率数据流多组成，每一低速数据流各自经过编码和调制，由不同的天线发送，但利用同一时间和频率槽。在接收端，三套接收天线各自接收两个数据流信号的线性组合，这两个数据流已分别由不同冲击响应所滤波。接收机将两个信号分开，利用空间均衡器，并经过解调、解码和解复接，获取原来信号。接收天线的数目一般应该多于独立发送信号的数目，以期取得较好效果。基台和用户终端各有三副接收天线，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”MRC，将多个接收机的信号合并，得到最大信噪比SNR，可能有遏止自然干扰的好处。但是，在空间多工的情形，如有两个数据流互相干扰，或者从频率再利用的邻近地区传来干扰，MRC就不能起遏止作用。这时，利用“最小的均方误差”MMSE，它使每一有用信号与其估计值的均方误差最小，从而使“信号与干扰及噪声比”SINR最大。上述MRC和MMSE得出软信号估计，输入至软解码器。它们的适当运用可能对频率选择性通路提供3-4dB性能增益。

　　同步是重要的，上行和下行传输的开头都有同步槽，用于传送定时相位、定时频率和频率偏移估计，数据和训练序列都由偶数音调传输，而奇数音调为零。这是时域信号的重复形式，便于对上述各项参数作估计。获得了同步后，可从计练音调做出定时估计。新一代无线系统采用自适应调制和编码，以便提供用户的线路参数最佳化，从而获得最大的系统容量。根据用户的SINR统计和QoS要求，应能提供最佳的编码和调制。QAM分级可从4至64，编码可利用卷积码和R-S码。有些编码，可使2MHz通路传送数据速率1.1-6.8Mb/s。

　　三、MIMO-OFDM无线网的现场测试

　　上述无线通信网曾经在实验室进行仿真实验测试，也曾在室外现场进行测试。基台是在一幢大楼的屋顶上架设天线，约49英尺高，覆盖区是在半径35英里和120度扇区范围内。基台发射功率为35.5dBm，用户终端发射功率30dBm。下行无线通路使用的中心频率为2.683GHz，上行则为2.545GHz，数据业务占用频带宽度2GHz，基台的发送和接收天线各自相隔16个和8个波长。现场试验主要是为了估计modem的性能和无线通路特性。测试时，覆盖区内用户终端有固定的，也有移动的。测试系统的每一收发信机各有2×3个多径通路，因而它简称2×3系统。

　　衰落边际的大小是决定于赖斯K因数、时延散布和天线相关性，如时延散布大，则利用OFDM提供的频率选择性可以降低衰落边际要求。如没有时延散布，又没有天线相关性，则在通路可靠性为99.9%的情况下，2×3系统的衰落边际是10dB，而1×2系统的是23dB，1×1系统的是35dB，显示2×3系统的优越性。现场测试曾在固定的和移动的用户终端装置各种天线的情况下，实际测量信噪比SNR，绘制它们随时间变化的特性。可以明显地看到2×3系统接收信噪比特性曲线最高，1×2系统次之，而1×1系统最差，和我们预料的相同。

　　在同样发射功率和99.9%通路可靠性的要求下，1×2和1×1系统既然要求较高的衰落边际，那么它们的覆盖面积也就相应地缩小，甚至使覆盖区半径减小一半，面积减小至1/4。这样，2×3、1×2、1×1系统的覆盖区半径实际上分别为4.0、2.7和1.6英里。至于通信使用的数据速率，一般地说，越靠近基台，因路径损耗小、SNR较大，故容许的数据速率可以较高。测试分析结果认为：1×1和1×2系统的最高数据速率可以是6.8Mb/s，而2×3的可以加倍，将为13.6Mb/s。这表明，空间多工确实是有作用的。

　　总的来说，实验结果和现场测试都表明，MIMO-OFDM系统在通信容量覆盖距离和可靠性方面都优于SISO、MISO和SIMO系统，值得新一代宽带无线移动通信网考虑引用。