无线网络中的MIMO与OFDM技术原理分析

无线网络中的MIMO与OFDM技术原理分析
CNET中国·ZOL 07年08月14日 【原创】 作者： 中关村在线 张伟
从最早的红外线技术到目前被寄予重望的WIFI，无线技术的进步推动我们的网络一步步走向成熟。另外，随着笔记本的不断发展，无线网络模块已经成为了平台标准，以Intel在移动个人处理器市场占有的份额来看，已有用户和潜在用户的数量令人不可低估。

从目前的市场情况和802.11n协议进展的速度来看，无线网络和产品正在走向降低成本，加大软件和相关技术的道路上。这样的做法无疑是非常明智的，对于消费者来说更多、更具有针对性的软件和技术会让我们将无线网更好的融入生活中的每一个角落。

随着英特尔第四代迅驰平台的发布，802.11N协议下的300M无线设备也加快了“生产”的速度，很多厂商的新品纷纷面市。但在目前来说，即使被炒的越来越热的300M产品，对一般消费者来说还好像是“概念汽车”一样，感觉起来有些缥缈和虚幻。那么802.11N产品到底强在哪里？又是依托于哪些核心技术呢？下面，我们不妨从MIMO、OFDM和MIMO-OFDM技术细节谈起。

无线通信作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越大。近年来，无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能、速度与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高无线网络的性能和容量日益显得重要。

MIMO

MIMO技术是我们目前最常见的无线技术之一，同时也是802.11N产品标志性的技术之一。在无线通信领域中，MIMO技术中的智能天线技术是具有重要意义的一件事，该技术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。

由于具备以上特性， MIMO系统进一步提高无线通信系统容量，可以在不用增加系统带宽的情况下改善了系统性能，提高了数据速率，所以在新一代无线通信系统中MIMO技术是必须采用的关键技术。

　　我们知道，在办公室或一些公共场合，无线信号非常复杂，频率选择性衰落和其他干扰源的存在使实现无线信道的高速数据传输比有线信道困难。然而对于MIM0系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多信道。MIMO的多输入多输出是针对多径无线信道来说的。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。
OFDM

作为多载波调制(MCM)的一种，OFDM技术的核心能力就是将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样既减少了子信道之间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自身来考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM容易通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

　　目前，OFDM结合时空编码、分集、干扰(包括符号间干扰和邻道干扰)抑制以及智能天线技术，最大程度地提高了物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，性能可进一步优化[3]。

　　同单载波系统相比，OFDM还存在一些缺点，如易受频率偏差的影响，存在较高的峰值平均功率比(PAR)。所以，我们必须将其他技术引入其中，来达到能加好的效果。

MIMO-OFDM

平坦衰落信道中 ，MIMO系统可以利用传播中的多径分量，但是，对于频率选择性衰落信道，MIMO系统依然无能为力。而在目前的宽带无线通信中，一般都会发生频率选择性衰落，为了使得MIMO系统性能在频率选择性衰落信道中依然 良好，可以将MIMO系统和正交频分复用OFDM调制技术结合起来，形成MIMO-OFDM系统。

将MIMO系统与OFDM技术相结合，可以充分利用二者的优势，而又互相弥补不足之处 。

1、MIMO-OFDM系统不仅有很高的频谱利用率，而且在OFDM基础上合理的开发了空间资源，可以提供更高的数据速率，提高系统容量，改善系统性能。

2、另一方面，加入了OFDM调制技术的MIMO系统在抗多径方面表现出了很大的优势，使得MIMO系统在频率选择性衰落信道中也能取作用

从本质来讲，OFDM-MIMO是频谱资源利用率技术上的发展成果。MIMO技术的主要研究方向包括：MIMO信道、MIMO收发技术、分布式MIMO和MIMO应用。MIMO技术是无线通信领域重大的技术突破，将成为未来无线宽带移动通信系统和无线宽带接入系统的关键技术。而OFDM是Wimax和UWB基础，OFDM技术也被应用于基于电力线上网的宽带传输(BPL)系统。

时间、空间和频率是组成无线精采世界的要素，OFDM＋MIMO是三者的完美结合，OFDM与MIMO会成为未来很长一段时间内无线宽带技术的基础。是以Anywlan将OFDM与MIMO作为本专题的同一主题，在Anywlan发展的这几年，断断续续有OFDM-MIMO的资料发布，但却无系统地进行整理，本期专题大部分资料将以下载方式提供，其中不少独家精品，数量和质量都极为丰富，可以保证本专题将是OFDM-MIMO研究论文是国内迄今为止最为丰富的。希望对相关领域的开发者和学习者带来有益的启示。本站崇尚学术交流，每个人的认知能力有局限，均望各朋友能无保留地予以提出和指正。

MIMO-OFDM把OFDM 技术和MIMO 技术的优势结合起来，在不需要增加传输功率和扩大带宽的前提下能够增加数据的传输速率，正在成为无线通信的一个研究热点。
802.11N

　　随着消费者尤其是企业用户对无线局域网速度要求的提升，54M无线产品已经远远不能满足人们的需求，因此IEEE已经成立802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准IEEE 802.11n。

而多输入多输出(MIMO)技术和OFDM 技术的融合，则是802.11g迈向802.11n的关键因素。

　　理论上，作为高速无线局域网核心的OFDM技术，适当选择各载波的带宽和采用纠错编码技术可以完全消除多径衰落对系统的影响。因此如果没有功率和带宽的限制，可以用OFDM技术实现任何传输速率。而采用其他技术，当数据速率增加到某一数值时信道的频率选择性衰落会占据主导地位，此时无论怎样增加发射功率也无济于事。这正是OFDM技术适用于高速无线局域网的原因。实际上，为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，使用多载波调制技术的无线局域网需要增加载波的数量，这会增加系统复杂度，增大系统带宽，对目前带宽受限和功率受限的无线局域网系统不太适合。而MIMO技术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，因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是下一代无线局域网发展的趋势。所以，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量。

结论

从以上分析我们可以看出MIMO和OFDM在各自的应用领域有各自的优点，MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍是无能为力，现在一般采用均衡技术来解决MIMO系统中的频率选择性衰落。还有一种就是OFDM技术，OFDM被认为是下一代移动通信中的核心技术。4G需要高的频谱利用率的技术，但OFDM提高频谱利用率的能力毕竟有限。如果结合MIMO技术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。MIMO+OFDM技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性，如果把合适的数字信号处理技术应用到MIMO+OFDM系统中能更好的增强系统的稳定性。另外，OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力。多径时延小于保护间隔使系统不受码间干扰的影响。这样就可以使单频网络使用宽带OFDM系统依靠MIMO技术消除阴影效应。