1、Telecom Power Technology 159 Aug.10,2023,Vol.40 No.15 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期通信网络技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.15.051MIMO-OFDM 无线通信传输与检测技术研究孙松强（日海恒联通信技术有限公司，河南 郑州 450000）摘要：多输入多输出-正交频分复用（Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MIMO-OFDM）无线通信系统是一种采用多输入多输出和正交频分复用技术相结
2、合的高效传输方案。深入研究MIMO-OFDM 无线通信系统的传输与检测技术，研究结果表明，MIMO-OFDM 系统在提高容量、可靠性和抗干扰能力方面具有巨大潜力，对未来无线通信技术的发展具有重要的应用价值。关键词：多输入多输出-正交频分复用（MIMO-OFDM）；无线通信传输；检测技术Research on the Wireless Communication Transmission and Detection Technology of MIMO-OFDMSUN Songqiang(Rihai Henglian Communication Technology Co.,Ltd.,Zheng
3、zhou 450000,China)Abstract:Multiple Input Multiple Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing(MIMO-OFDM)wireless communication system is an efficient transmission scheme that combines multiple input multiple output and orthogonal frequency division multiplexing technology.The article delves i
4、nto the transmission and detection technologies of MIMO-OFDM wireless communication systems.The research results indicate that MIMO-OFDM systems have great potential in improving capacity,reliability,and anti-interference capabilities,and are of great significance for the development of future wirel
5、ess communication technology.Keywords:Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing(MIMO-OFDM);wireless communication transmission;detection technology0 引 言随着无线通信技术的不断发展，多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）和正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）作为
6、2 项重要的技术手段，被广泛应用于无线通信系统。MIMO 技术通过利用多个天线进行数据传输和接收，可以显著提高系统的容量与可靠性，同时克服了传统单天线系统存在的信号多径衰落和干扰问题。OFDM 技术则通过将频域分割为多个子载波，并在每个子载波上进行独立的调制与解调，可有效提高频谱利用效率和抗多径干扰能力。1 多载波多天线基本原理及关键技术1.1 MIMO 技术MIMO 技术是一种利用多个发射天线和接收天线进行数据传输和接收的无线通信技术。与传统的单天线系统相比，MIMO 技术通过同时利用多个天线之间的独立路径进行数据传输，可以显著提高无线信道的容量和可靠性，并扩大覆盖范围。MIMO 技术的基础
7、是空间多样性和信号处理算法1。在发送端，数据被分成多个子流，并分别通过不同的发射天线发送。当信号经过空间上的多个传输路径时，可以以不同的方式到达接收端。在接收端，通过采集并处理来自多个接收天线的信号，可以从中获取多个独立的数据流。通过快速傅里叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）算法，接收端可以恢复原始数据，并实现高容量的数据传输。一般的 MIMO 通信系统模型如图 1 所示。空时编码空时译码IFFTIFFTIFFTIFFTIFFTIFFT图 1 MIMO 通信系统模型1.1.1 MIMO 系统中的复用技术MIMO 系统中的复用技术是指通过合理分配和
8、利用有限的频谱资源，使多个用户能够同时共享同一无线信道的技术。MIMO 系统中，常用的复用技术包括时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）、频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）、码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）以及空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）等。时分复用将时间划分为多个时隙，并将不同用户的数据在各个收稿日期：2023-06-08作者简介：孙松强（1984），男，河南郑州人，本科，工程师，主要从事通信工程工作。2023 年 8 月 1
9、0 日第 40 卷第 15 期Aug.10,2023,Vol.40 No.15Telecom Power Technology 160 时隙中依次传输；频分复用将频谱划分为多个不重叠的子载波，每个用户独占一个或多个子载波进行数据传输；码分复用利用不同的扩频码将不同用户的数据编码，然后将这些数据编码同时发送到无线信道；空分复用利用多个天线，将不同用户的数据并行地通过不同的天线进行传输。这些复用技术使得多个用户可以同时共享无线信道资源，实现了高效的频谱利用，消除了用户间的隔离。通过合理选择和组合这些技术，可以最大限度地提高系统容量、性能和用户体验2。复用技术在现代无线通信系统中扮演着重要角色，使得
10、无线通信能够支持更多的用户，并提供更加快速和可靠的数据传输。MIMO 系统的复用增益来源于 MIMO 信道，可以将其分解成 R 个并行的独立信道。对于等分配发送功率的 MM 的 MIMO 信道，发送端和接收端已知信道增益矩阵为 H。通过奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD），信道增益矩阵的计算公式为 H=U VH（1）式中：矩阵 U 和矩阵 V 是酉矩阵；矩阵由矩阵 H的奇异值构成，这里奇异值的个数为 RH，代表信道矩阵 H 的秩。经发送预编码和接收成形后，MIMO 信道变成RH个并行的单输入单输出（Single Input Single Output，
11、SISO）信道，其输入为 x。该过程的计算公式为y=UH(Hx+n)=UH(U VH+n)=UH(U VHVx+n)=UHUVHVx+UHn=x+n（2）式中：UH作为接收信号；向量 x 经线性变换 x=Vx后作为天线的输入。1.1.2 MIMO 系统中的分集技术MIMO 系统中的分集技术是利用多个天线传输和接收信号的技术，旨在提高无线通信系统的性能和可靠性。传统的 SISO 系统中，只有一个天线用于发送信号和接收信号。分集技术是 MIMO 系统中应用的关键技术之一，通过将信号分散在多个独立的空间路径上传输，以降低信号受到衰落和干扰的影响。分集技术包括时间分集（Time Diversity，T
12、D）和空间分集（Space Diversity，SD）等形式。时间分集中，发送端将数据分割成多个时间片，并将每个时间片映射到不同天线，利用多路径效应和符号重叠提高系统的可靠性。而在空间分集中，通过使用多个接收天线接收来自不同路径的信号，各天线发送的加权信号在接收端相加合并。设信道的幅度增益为 h，所得接收端信号的计算公式为 ()()ii1Mir tahs t=（3）式中：r(t)为时间 t 的接收信号；s(t)为时间 t 的发送信 号；hi为信道幅度增益；ai为加权值。基于式（3）能够提高系统的性能、可靠性和容量，有效应对信道衰落和干扰等问题。1.2 多载波 OFDM 技术多载波 OFDM 技
13、术是一种广泛应用于数字通信系统的调制技术。该技术能够将需要传输的数据流分成多个低速数据流，并在频域上并行传输。每个低速数据流使用不同的子载波进行调制和传输。通过OFDM 技术，可以将整个频谱带宽分为多个独立的子载波。这些子载波之间正交互不干扰，因此可以同时传输不同的数据流3。每个子载波的宽度相对较窄，使得每个子载波的符号周期较长，在时域上呈现出宽波形。2 高速移动环境 OFDM 系统上行信道状态信息检测2.1 OFDM 系统上行 CQI 检测码本结构OFDM 系统中，上行信道质量指示（Channel Quality Indicator，CQI）检测码本用于评估无线信道的质量，以便调整下行链路的
14、调制和编码方案4。CQI 码本结构描述了不同 CQI 值对应的调制和编码方式，以及相应的误码率和吞吐量。具体的上行 CQI检测码本结构可能因不同的无线通信标准而有所变化。通过使用上行 CQI 检测码本，接收端可以根据接收的信道质量信息选择最适合的调制和编码方式，以实现更高的数据传输速率和可靠性，从而在保证通信质量的前提下充分利用无线信道资源。需要注意，不同的无线通信标准可能具有不同的 CQI 码本结构和参数定义。因此，具体应用中需要参考相应的通信标准规范了解准确的上行 CQI 检测码本结构和相关信息。2.2 高速移动环境下的 CQI 检测模型2.2.1 准正交码表的互相关检测算法准正交码表是一
15、种常用于无线通信多用户分离的技术。使用准正交码表时，需要进行互相关检测，以确定接收信号中是否存在特定的准正交码。准正交码表的互相关检测算法可用于多用户接入技术中的信号分离过程，如码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）等。通过计算接收信号与准正交码表之间的相关性，实现了多用户的区分和分离，从而实现并行的通信和接入。算法中的阈值设置和相关峰值的判决策略会影响检测性能，需要根据具体应用进行调整和优化。2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期 161 Telecom Power TechnologyAug.10,2023,Vol.40 No.15
16、 孙松强：MIMO-OFDM 无线通信传输 与检测技术研究2.2.2 基于信道统计互相关信息的序列检测算法基于信道统计的互相关信息的序列检测算法广泛应用于无线通信，用于检测接收信号中是否包含指定的序列。该算法通常用于序列识别、同步和错误检测等应用。需要注意，基于信道统计的互相关信息的序列检测算法的性能受多种因素的影响，包括信道特性、噪声水平、信号功率等。因此，具体应用时需要根据实际情况优化和调整算法参数，以达到最佳的性能和准确性。3 仿真结果与分析3.1 传统互相关检测在快衰落和慢衰落信道条件下的对比无线通信中，传统的互相关检测算法在快衰落和慢衰落信道条件下有一些特点和区别。快衰落信道是信号在传播过程中经历剧烈的衰落变化，这种衰落往往由多径效应引起。快衰落信道的特点是衰落速度快，频率选择性强，即不同频率成分的衰落特性不同5。快衰落和慢衰落信道条件对传统互相关检测算法的性能有一定影响：快衰落信道中，需要更精确的对齐和更强的抗干扰能力；慢衰落信道中，相对稳定的信道环境有利于提高检测性能。快衰落和慢衰落条件下的信道响应，如图 2 所示。距离/m-20-40-60快衰落慢衰落102030接收功