無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)介紹

今天，先進(jìn)的3G/4G(HSPA+、 LTE和IMT-advanced)應(yīng)用普遍采用多路輸入多路輸出(MIMO)技術(shù)。借助增強(qiáng)的頻譜效率，MIMO能夠保證實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，并通過(guò)將電子信息嵌入到空間處理單元來(lái)提高無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的性能?？臻g處理包括在發(fā)射機(jī)上進(jìn)行空間預(yù)編碼和在接收機(jī)上進(jìn)行空間后編碼，從信息信號(hào)處理理論角度講，它們彼此之間進(jìn)行的是雙重處理。MIMO技術(shù)與正交頻分多路復(fù)用(OFDM) 相結(jié)合可以充分利用無(wú)線(xiàn)信道空間分集和多徑的特征，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的3G寬帶無(wú)線(xiàn)通信和高頻譜利用率。

表1：適用于3G標(biāo)準(zhǔn)的3G MIMO技術(shù)的演進(jìn)歷程。

　　表2是3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)TR 25.913的概述，它顯示了在固定6?QAM調(diào)制深度時(shí)，單路輸入單路輸出(SISO)和MIMO天線(xiàn)配置中的性能。這些數(shù)字表示在理想的無(wú)線(xiàn)條件下(具有信令開(kāi)銷(xiāo)補(bǔ)償)，頻分雙工(FDD)空中接口的物理限制。

表 2：3G MIMO應(yīng)用(6?QAM)的數(shù)據(jù)速率性能。

　　在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，在發(fā)射機(jī)和/或接收機(jī)上使用多個(gè)天線(xiàn)開(kāi)辟了一個(gè)新的維度空間。如果能夠正確利用這一技術(shù)，可以極大地提高性能，它現(xiàn)在被廣泛地稱(chēng)為MIMO系統(tǒng)。這里的輸入和輸出指的是無(wú)線(xiàn)信道。發(fā)射機(jī)的多個(gè)天線(xiàn)意味著有多個(gè)信號(hào)輸入到無(wú)線(xiàn)信道中，接收機(jī)的多個(gè)天線(xiàn)是指有多個(gè)信號(hào)從無(wú)線(xiàn)信道輸出。圖1是對(duì)SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)的簡(jiǎn)單演示。通過(guò)本圖，您可以很容易理解對(duì)于發(fā)射機(jī)天線(xiàn)(T)和接收機(jī)天線(xiàn)(R)的MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果每個(gè)發(fā)射接收天線(xiàn)對(duì)之間的信道獨(dú)立進(jìn)行衰落，則信道分集階數(shù)為T(mén)×R。

圖 1：SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)之間的關(guān)系。

　　不同的MIMO應(yīng)用

　　在一個(gè)密集的多徑散射環(huán)境中，MIMO系統(tǒng)可充分利用通過(guò)空間分隔的天線(xiàn)獲得空間分集。MIMO系統(tǒng)能夠通過(guò)許多不同方法來(lái)實(shí)施，以獲得抵抗信號(hào)衰落的分集增益或者容量增益。通常，MIMO技術(shù)具有三種類(lèi)型。第一類(lèi)旨在通過(guò)最大化空間分集提高功率效率。此類(lèi)技術(shù)包括延遲分集、空時(shí)分組編碼(STBC)和空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC)。第二類(lèi)利用豐富的散射環(huán)境中的空間復(fù)用，通過(guò)天線(xiàn)傳輸相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)信號(hào)，以提高數(shù)據(jù)速率，但通常不能夠達(dá)到完整的空間分集。第三類(lèi)利用的是發(fā)射機(jī)的信道信息，又稱(chēng)為波束賦形。它利用信道信息建立波束賦形矩陣，作為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的前置濾波器和后置濾波器的，以實(shí)現(xiàn)容量增益。

　　空間分集

　　無(wú)線(xiàn)信道中信號(hào)功率的波動(dòng)非?？焖?。信號(hào)功率顯著下降時(shí)，信道處于衰落狀態(tài)。分集用于在無(wú)線(xiàn)信道中抵抗衰落。接收天線(xiàn)分集可在SIMO通道中使用。接收天線(xiàn)接收同一信號(hào)獨(dú)立的衰落狀態(tài)，并與這些信號(hào)相結(jié)合，使得合成信號(hào)的幅度變化小于任一天線(xiàn)的信號(hào)。通常使用獨(dú)立衰落信道數(shù)來(lái)描述分集的特征，這一數(shù)目也稱(chēng)為分集階數(shù)，并且如果同一發(fā)射天線(xiàn)針對(duì)所有接收天線(xiàn)的信道具有獨(dú)立的衰落特性，則分集與SIMO信道中接收天線(xiàn)的數(shù)量相等。發(fā)射分集適用于MISO信道并且已經(jīng)成為備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。提取分集需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)。在接收機(jī)上使用合適的組合方案，以獲得分集增益。如果所有發(fā)射天線(xiàn)到同一接收天線(xiàn)的信道具有獨(dú)立的衰落特性，則該信道的分集與發(fā)射天線(xiàn)的數(shù)量相等。

圖2：(a) AlamouTI空時(shí)編碼發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)；(b) 空間復(fù)用發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)；(c) 波束賦形發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。

　　圖2給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)射機(jī)分集方案實(shí)例，也稱(chēng)為 Alamouti空時(shí)編碼。在指定的符碼周期，兩個(gè)天線(xiàn)同時(shí)發(fā)出兩個(gè)信號(hào)。在符碼周期t1，分別從天線(xiàn)0和天線(xiàn)1發(fā)送信號(hào)s0和s1，在下一個(gè)符碼周期 t2內(nèi)，天線(xiàn)0發(fā)送信號(hào)-s1*，天線(xiàn)1發(fā)送信號(hào)s0*，其中()*是復(fù)共軛運(yùn)算。這一序列如圖2所示。編碼是在空時(shí)編碼中完成的，也可在空頻編碼中完成?？墒褂脙蓚€(gè)相鄰的載波(空頻編碼)來(lái)替代兩個(gè)相鄰的符碼周期。使用MIMO信道的分集需要將上述發(fā)射和接收分集相結(jié)合。如果每個(gè)發(fā)射接收天線(xiàn)對(duì)之間的信道獨(dú)立衰落，則分集順序與發(fā)射和接收天線(xiàn)的數(shù)量相等。

　　空間復(fù)用

　　空間復(fù)用可以為相同帶寬的信號(hào)提供線(xiàn)性增長(zhǎng)的傳輸速率，而且不會(huì)造成額外的功率損耗。

　　圖2(a)給出了含有兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的簡(jiǎn)單的空間復(fù)用系統(tǒng)，這一概念可擴(kuò)展到更普遍的MIMO系統(tǒng)中。發(fā)射的比特流被去復(fù)用到兩個(gè)具有一半速率的子比特流中，由每個(gè)發(fā)射天線(xiàn)同時(shí)進(jìn)行調(diào)制和發(fā)射。例如在圖2(a)中，在符碼周期t1內(nèi)，天線(xiàn)0發(fā)射符號(hào)s0，從天線(xiàn)1發(fā)射符號(hào)s1。在符碼周期t2內(nèi)，天線(xiàn) 0發(fā)射符號(hào)s2，天線(xiàn)1發(fā)射符號(hào)s3。因此，發(fā)射速率是SISO系統(tǒng)的兩倍。在最佳的信道條件下，接收機(jī)端接收到的信號(hào)的空間特性,可以被很好的分離。接收機(jī)根據(jù)信道信息可以對(duì)兩個(gè)同信道信號(hào)進(jìn)行區(qū)別和提取。進(jìn)行解調(diào)之后，子比特流能夠相互結(jié)合產(chǎn)生原始比特流。所以，空間復(fù)用所能提高的傳輸速率與發(fā)射接收天線(xiàn)對(duì)的數(shù)量成正比?？臻g復(fù)用還可用于多用戶(hù)格式，也就是空分多址或SDMA。假設(shè)兩個(gè)用戶(hù)發(fā)射獨(dú)立的信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)均到達(dá)一個(gè)配有兩個(gè)天線(xiàn)的基站。該基站可以分離這兩個(gè)信號(hào)，以支持兩個(gè)用戶(hù)同時(shí)使用信道。這使容量能夠根據(jù)基站的天線(xiàn)數(shù)量和用戶(hù)數(shù)量成比例的增加。

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