移動通信中的MIMO技術(shù)
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?。停桑停鲜侵冈诎l(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，而傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)是單進(jìn)單出（ＳＩＳＯ）系統(tǒng)，基于發(fā)射分集和接收分集的多進(jìn)單出（ＭＩＳＯ）方式和單進(jìn)多出（ＳＩＭＯ）方式也是ＭＩＭＯ的一部分。ＭＩＭＯ并不是一門新技術(shù)，早在１９０８年馬可尼就提出用ＭＩＭＯ方式來抵抗無線信道的衰落。貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ｅ．Ｔｅｌａｔａｒ和Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ分別獨(dú)立地在他們各自的論文［１］和［２］中論證了理論上的ＭＩＭＯ信道的香農(nóng)容量。他們指出，使用Ｎ×Ｍ信道矩陣描述Ｍ副發(fā)射天線和Ｎ副接收天線系統(tǒng)的無線信道，如果Ｎ×Ｍ信道矩陣的元素間具有理想的獨(dú)立衰落，系統(tǒng)容量將會隨發(fā)射方和接收方天線數(shù)中最小一方的天線數(shù)ｍｉｎＮＭ的增加而線性增加。這可以在ＳＩＳＯ基礎(chǔ)上成倍地增加系統(tǒng)容量。同時，Ｆｏｓｃｈｉｎｉ還開發(fā)了用于ＭＩＭＯ系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)射／接收算法，這就是著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時碼（ＢＬＡＳＴ）算法[２]。后來另外一個突破性的方案，即空時編碼的思想由ＡＴ＆Ｔ實(shí)驗(yàn)室提出[３]，它可以提高ＭＩＳＯ和ＭＩＭＯ系統(tǒng)的分集增益。這些信號處理方案可以提高ＭＩＭＯ系統(tǒng)的容量，因而吸引了大量的研究開發(fā)人員和工程技術(shù)人員進(jìn)行更深入的研究。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201706/357044.htm一、 MIMO技術(shù)
?。停桑停霞夹g(shù)實(shí)質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益，目前針對ＭＩＭＯ信道所進(jìn)行的研究也主要圍繞這兩個方面。空間復(fù)用技術(shù)可以大大提高信道容量，而空間分集則可以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。
?。保?空間復(fù)用技術(shù)
空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多副天線？充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個數(shù)據(jù)通道（ＭＩＭＯ子信道）發(fā)射信號，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。這種信道容量的增加不需要占用額外的帶寬，也不需要消耗額外的發(fā)射功率，因此是提高信道和系統(tǒng)容量一種非常有效的手段。
空間復(fù)用的實(shí)現(xiàn)如圖１所示，首先將需要傳送的信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成幾個平行的信號流？并且在同一頻帶上使用各自的天線同時傳送，由于多徑傳播？每一副發(fā)射天線針對接收端產(chǎn)生一個不同的空間信號，接收方利用信號不同來區(qū)分各自的數(shù)據(jù)流。實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用必須要求發(fā)射和接收天線之間的間距大于相關(guān)距離，這樣才能保證收發(fā)端各個子信道是獨(dú)立衰落的不相關(guān)信道。
實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用的接收端的解碼算法有迫零算法（ＺＦ）、最小均方誤差算法（ＭＭＳＥ）、垂直－貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時碼（Ｖ－ＢＬＡＳＴ）算法和最大似然算法（ＭＬ）。迫零算法是一種線性接收方法，可以很好地分離同頻信號，但是需要有較高的信噪比才能保持較好的性能。另一種線性接收算法是最小均方誤碼算法，該算法可以使由于噪聲和同頻信號相互干擾造成的錯誤最小，盡管它降低了信號分離的質(zhì)量，但具有較好的抗噪性能。最大似然算法接收性能最好，但是計(jì)算復(fù)雜性高。
?。拢蹋粒樱允且环N可以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法。１９９６年Ｆｏｓｃｈｉｎｉ提出對角－貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時碼（Ｄ－ＢＬＡＳＴ）算法，但是由于算法的復(fù)雜度太大，很難實(shí)際應(yīng)用。１９９８年由Ｆｏｓｃｈｉｎｉ和Ｇ．Ｇｏｌｄｅｎ提出Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法不是對所有的發(fā)送信號一起解碼，而是首先對最強(qiáng)的信號解碼，然后在接收到的信號中減去這個最強(qiáng)的信號，再對剩余信號中的最強(qiáng)信號解碼，再減去這個信號，這樣依次進(jìn)行，直到所有的信號都被譯出。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法是算法復(fù)雜度和譯碼性能綜合考慮下一種最優(yōu)的譯碼算法。
?。玻?發(fā)送分集和接收分集
空間分集技術(shù)可以分為接收分集和發(fā)射分集兩類，通?？梢哉J(rèn)為ＳＩＭＯ系統(tǒng)是接收分集，ＭＩＳＯ系統(tǒng)是發(fā)射分集。無線信號在復(fù)雜的無線信道中傳播產(chǎn)生Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落，在不同空間位置上其衰落特性不同。如果兩個位置間距大于天線之間的相關(guān)距離（通常相隔十個信號波長以上），就認(rèn)為兩處的信號完全不相關(guān)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)信號空間分集接收?？臻g分集一般用兩副或者多副大于相關(guān)距離的天線同時接收信號，然后在基帶處理中將多路信號合并。在ＳＩＭＯ系統(tǒng)中的接收分集技術(shù)可以分成最大比率合并（ＭＲＣ）、等增益合并（ＥＧＣ）和選擇分集合并（ＳＤＣ）三種類型。在最大比率合并的接收中，每一副天線的輸出用一個復(fù)數(shù)加權(quán)，然后相加；等增益合并接收使各副天線的輸出信號保持同相，然后相加。選擇分集合并接收中，簡單地選擇眾多信號中的一個質(zhì)量最好的天線的信號，并使用該信號作為接收到的信號。由于最大比率合并之后信號的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。
發(fā)射分集就是將分集的負(fù)擔(dān)從終端轉(zhuǎn)移到基站端，然而采用發(fā)射分集的主要問題是在發(fā)射端不知道衰落信道的信道狀態(tài)信息（ＣＳＩ）。因此，必須采用信道編碼以保證各信道具有良好的性能，具體是采用空時編碼（參見文獻(xiàn)［３？５］）?？諘r碼（ＳＴＣ）是信道編碼設(shè)計(jì)和多發(fā)射天線的結(jié)合，由ＡＴ＆Ｔ 實(shí)驗(yàn)室的Ｔａｒｏｋｈ等人提出?？諘r碼在將數(shù)據(jù)分成ｎ個數(shù)據(jù)子流在Ｎ副天線上同時發(fā)射時，建立了空間分離信號（空域）和時間分離信號（時域）之間的關(guān)系，而且在采用最大比率接收合并（ＭＲＲＣ）技術(shù)接收時，這些空時碼方案可以獲得相同的分集增益。除了分集增益以外，好的空時碼還可以獲得一定的編碼增益。
基于分集發(fā)射的空時碼可以分為空時格碼（ＳＴＴＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｔｒｅｌｌｉｓ Ｃｏｄｅ）和空時塊碼（ＳＴＢＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｂｌｏｃｋ Ｃｏｄｅ）?？諘r格碼有較好的性能，但其譯碼復(fù)雜度與傳輸速率成指數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)難度較大。Ｓ．Ｍ．Ａｌａｍｏｕｔｉ在文獻(xiàn)３中論證了通過一定的信道編碼可以將１×２的接收分集增益，轉(zhuǎn)換成２×１的發(fā)射分集增益而不會損失分集增益，這可以認(rèn)為是空時塊碼的原始模型。在這個基礎(chǔ)上Ｔａｒｏｋｈ提出了空時塊碼，正交設(shè)計(jì)理論的空時塊碼性能稍遜于空時格碼，但其譯碼復(fù)雜度很低，還可能得到最大的分集發(fā)射增益。經(jīng)過空時編碼的信號經(jīng)過多條相關(guān)性較小的無線信道到達(dá)接收端，接收端通常需要知道各無線信道參數(shù)，即信道估計(jì)，可以使用基于導(dǎo)頻訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)，也可以使用盲估計(jì)。
二、MIMO技術(shù)的應(yīng)用
目前，朗訊、松下、金橋和ＮＴＴ ＤｏＣｏＭｏ等公司都在積極倡導(dǎo)ＭＩＭＯ天線系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。在３ＧＰＰ的高速下行分組接入方案（ＨＳＰＤＡ）中提出了使用ＭＩＭＯ天線系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在發(fā)送和接收方都有多副天線，可以認(rèn)為是雙天線分集的進(jìn)一步擴(kuò)展。另外，在３ＧＰＰ的ＷＣＤＭＡ協(xié)議中，涉及到了六種分集發(fā)射方法：空時分集發(fā)射（ＳＴＴＤ：Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）、時間切換分集發(fā)射（ＴＳＴＤ：Ｔｉｍｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）、兩種閉環(huán)分集發(fā)射模式、軟切換中的宏分集，以及站點(diǎn)選擇分集發(fā)射（ＳＳＤＴ：Ｓｉｔｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｔｒａｎｓｍｉｔ）。宏分集是指在ＣＤＭＡ系統(tǒng)的軟切換過程中，可以通過兩個甚至三個基站同時向一個移動臺發(fā)射同樣的信號，這是宏分集發(fā)射；同樣，接收時通過相鄰的基站進(jìn)行分集接收（多個基站接收），即進(jìn)行宏分集接收。
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