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MIMO-OFDM系統(tǒng)無線資源分配研究
（作者未知） 2010/4/27
1引言
多輸入多輸出（MIMO）技術在基站和終端布署多根天線來抑制信道衰落，從而大幅度地提高信道的容量、覆蓋范圍和頻譜利用率。MIMO技術包括發(fā)射分集（Transmit Diversity）和空間復用（Spatial Multiplexing）兩種技術。正交頻分復用（OFDM）技術與MIMO技術的有效結(jié)合，為無線通信系統(tǒng)尋求更高的頻譜效率及數(shù)據(jù)傳輸可靠性提供了基礎。
與單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)相比，MIMO系統(tǒng)同樣需要經(jīng)受無線信道時變
特性和頻率選擇性衰落的影響。此外，由于不同的用戶可以占用相同的時頻資源，MIMO系統(tǒng)還可能存在同信道干擾（CCI）。在時域和頻域具有快速多變特性且可能存在同信道干擾的無線信道中，如何有效地分配無線資源，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)，是業(yè)界研究的熱點問題。因此，研究MIMO-OFDM系統(tǒng)的無線資源分配具有重要意義。
2問題的提出與發(fā)展
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系統(tǒng)，該技術最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。
OFDM(正交頻分復用)技術實際上是MCM(Multi-Carrier Modulation，多載波調(diào)制)的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。
在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個最嚴峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道，減小了多徑衰落的影響。而MIMO技術能夠在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道同時傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就有效地提高了系統(tǒng)的傳輸速率，即在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率。這樣，將OFDM和MIMO兩種技術相結(jié)合，就能達到兩種效果：一種是實現(xiàn)很高的傳輸速率，另一種是通過分集實現(xiàn)很強的可靠性。同時，在MIMO-OFDM中加入合適的數(shù)字信號處理的算法能更好地增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
近來種種跡象表明，“無線＋寬帶”已成為未來無線通信的重要賣點。MIMO-OFDM技術通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實現(xiàn)空間分集，利用時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。
MIMO系統(tǒng)在一定程度上可以利用傳播中多徑分量，也就是說MIMO可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)依然是無能為力。目前解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術，還有一種是利用OFDM。大多數(shù)研究人員認為OFDM技術是4G的核心技術，4G需要極高頻譜利用率的技術，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在OFDM的基礎上合理開發(fā)空間資源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外ODFM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡(SFN)可以用于寬帶OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來實現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機組成的發(fā)射機陣列消除陰影效應，來實現(xiàn)完全覆蓋。
3國內(nèi)外目前研究現(xiàn)狀
3.1 PHY研究現(xiàn)狀
當前，對MIMO-OFDM系統(tǒng)無線資源分配問題的研究，相當大一部分集中于物理（PHY）層。PHY無線資源分配的優(yōu)化目標主要包括兩種類型：
（1）比特速率最大化問題，即在額定的功率和比特誤碼率（Bit Error Rate，BER）范圍內(nèi)，如何最大化數(shù)據(jù)速率；
（2）功率最小化問題，即在額定的數(shù)據(jù)速率和BER范圍內(nèi)，如何最小化所有子載波上分配的功率總和。
在PHY層，無線資源分配的研究主要集中于解決子載波功率總和最小或者比特速率最大的問題，考慮的用戶QoS參數(shù)較少，主要是保證用戶的最小發(fā)送數(shù)據(jù)速率。這就導致系統(tǒng)在達到功率和比特速率優(yōu)化的同時，可能使一部分數(shù)據(jù)發(fā)送時延等QoS參數(shù)以及用戶公平性沒有得到滿足。另一方面，考慮的QoS參數(shù)單一，將導致資源分配機制無（未完，下一頁）
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