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移动通信中的MIMO技术

作者:时间:2017-06-13来源:网络
最近十年来,因特网和飞速发展,在第三代蜂窝中已经部分地引入了无线因特网和多媒体业务。而在新一代系统(即所谓的Beyond 3G或)中,人们对传输速率提出了更高的要求,这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速率。然而频谱资源总是有限的,要支持高速率就要开发具有极高频谱利用率的无线通信技术。最近的研究表明,多进多出(:Multiple Input - Multiple Output)技术可以显著提高无线系统的频谱利用率。实验室的研究证明,采用技术在室内传播环境下的频谱效率可以达到20?40 bit/s/Hz;而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1?5 bit/s/Hz,在点到点的固定微波系统中也只有10?12 bit/s/Hz。技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注,已经被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一。

  MIMO是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,而传统的通信系统是单进单出(SISO)系统,基于发射分集和接收分集的多进单出(MISO)方式和单进多出(SIMO)方式也是MIMO的一部分。MIMO并不是一门新技术,早在1908年马可尼就提出用MIMO方式来抵抗无线信道的衰落。贝尔实验室的E.Telatar和G.J.Foschini分别独立地在他们各自的论文[1]和[2]中论证了理论上的MIMO信道的香农容量。他们指出,使用N×M信道矩阵描述M副发射天线和N副接收天线系统的无线信道,如果N×M信道矩阵的元素间具有理想的独立衰落,系统容量将会随发射方和接收方天线数中最小一方的天线数minNM的增加而线性增加。这可以在SISO基础上成倍地增加系统容量。同时,Foschini还开发了用于MIMO系统的实际发射/接收算法,这就是著名的贝尔实验室分层空时码(BLAST)算法[2]。后来另外一个突破性的方案,即空时编码的思想由AT&T实验室提出[3],它可以提高MISO和MIMO系统的分集增益。这些信号处理方案可以提高MIMO系统的容量,因而吸引了大量的研究开发人员和工程技术人员进行更深入的研究。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/357044.htm

一、 MIMO技术

  MIMO技术实质上是为系统提供增益和增益,目前针对MIMO信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。技术可以大大提高信道容量,而则可以提高信道的可靠性,降低信道误码率。

  1. 技术

  空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线?充分利用空间传播中的多径分量,在同一频带上使用多个数据通道(MIMO子信道)发射信号,从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽,也不需要消耗额外的发射功率,因此是提高信道和系统容量一种非常有效的手段。

  空间复用的实现如图1所示,首先将需要传送的信号经过串并转换转换成几个平行的信号流?并且在同一频带上使用各自的天线同时传送,由于多径传播?每一副发射天线针对接收端产生一个不同的空间信号,接收方利用信号不同来区分各自的数据流。实现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离,这样才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。

  实现空间复用的接收端的解码算法有迫零算法(ZF)、最小均方误差算法(MMSE)、垂直-贝尔实验室分层空时码(V-BLAST)算法和最大似然算法(ML)。迫零算法是一种线性接收方法,可以很好地分离同频信号,但是需要有较高的信噪比才能保持较好的性能。另一种线性接收算法是最小均方误码算法,该算法可以使由于噪声和同频信号相互干扰造成的错误最小,尽管它降低了信号分离的质量,但具有较好的抗噪性能。最大似然算法接收性能最好,但是计算复杂性高。

  BLAST是一种可以实现空间复用增益的算法。1996年Foschini提出对角-贝尔实验室分层空时码(D-BLAST)算法,但是由于算法的复杂度太大,很难实际应用。1998年由Foschini和G.Golden提出V-BLAST算法。V-BLAST算法不是对所有的发送信号一起解码,而是首先对最强的信号解码,然后在接收到的信号中减去这个最强的信号,再对剩余信号中的最强信号解码,再减去这个信号,这样依次进行,直到所有的信号都被译出。V-BLAST算法是算法复杂度和译码性能综合考虑下一种最优的译码算法。

  2. 发送分集和接收分集

  技术可以分为接收分集和发射分集两类,通常可以认为SIMO系统是接收分集,MISO系统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生Rayleigh衰落,在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个位置间距大于天线之间的相关距离(通常相隔十个信号波长以上),就认为两处的信号完全不相关,这样就可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副或者多副大于相关距离的天线同时接收信号,然后在基带处理中将多路信号合并。在SIMO系统中的接收分集技术可以分成最大比率合并(MRC)、等增益合并(EGC)和选择分集合并(SDC)三种类型。在最大比率合并的接收中,每一副天线的输出用一个复数加权,然后相加;等增益合并接收使各副天线的输出信号保持同相,然后相加。选择分集合并接收中,简单地选择众多信号中的一个质量最好的天线的信号,并使用该信号作为接收到的信号。由于最大比率合并之后信号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。

  发射分集就是将分集的负担从终端转移到基站端,然而采用发射分集的主要问题是在发射端不知道衰落信道的信道状态信息(CSI)。因此,必须采用信道编码以保证各信道具有良好的性能,具体是采用空时编码(参见文献[3?5])。空时码(STC)是信道编码设计和多发射天线的结合,由AT&T 实验室的Tarokh等人提出。空时码在将数据分成n个数据子流在N副天线上同时发射时,建立了空间分离信号(空域)和时间分离信号(时域)之间的关系,而且在采用最大比率接收合并(MRRC)技术接收时,这些空时码方案可以获得相同的分集增益。除了分集增益以外,好的空时码还可以获得一定的编码增益。

  基于分集发射的空时码可以分为空时格码(STTC:Space-Time Trellis Code)和空时块码(STBC:Space-Time Block Code)。空时格码有较好的性能,但其译码复杂度与传输速率成指数关系,实现难度较大。S.M.Alamouti在文献3中论证了通过一定的信道编码可以将1×2的接收分集增益,转换成2×1的发射分集增益而不会损失分集增益,这可以认为是空时块码的原始模型。在这个基础上Tarokh提出了空时块码,正交设计理论的空时块码性能稍逊于空时格码,但其译码复杂度很低,还可能得到最大的分集发射增益。经过空时编码的信号经过多条相关性较小的无线信道到达接收端,接收端通常需要知道各无线信道参数,即信道估计,可以使用基于导频训练序列进行信道估计,也可以使用盲估计。

二、MIMO技术的应用

  目前,朗讯、松下、金桥和NTT DoCoMo等公司都在积极倡导MIMO天线系统技术的应用。在3GPP的高速下行分组接入方案(HSPDA)中提出了使用MIMO天线系统,这种系统在发送和接收方都有多副天线,可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外,在3GPP的WCDMA协议中,涉及到了六种分集发射方法:空时分集发射(STTD:Space Time Transmit Diversity)、时间切换分集发射(TSTD:Time Switched Transmit Diversity)、两种闭环分集发射模式、软切换中的宏分集,以及站点选择分集发射(SSDT:Site Selection Diversity Transmit)。宏分集是指在CDMA系统的软切换过程中,可以通过两个甚至三个基站同时向一个移动台发射同样的信号,这是宏分集发射;同样,接收时通过相邻的基站进行分集接收(多个基站接收),即进行宏分集接收。



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