MIMO的關(guān)鍵部件及原理

MIMO無線通信系統(tǒng)是未來移動(dòng)與無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO系統(tǒng)的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是具有極高的頻譜利用效率，在對現(xiàn)有頻譜資源充分利用的基礎(chǔ)上通過利用空間資源來獲取可靠性與有效性兩方面增益，其代價(jià)是增加了發(fā)送端與接收端的處理復(fù)雜度。

關(guān)鍵模塊1.MIMO系統(tǒng)信道模型建模MIMO系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于信道模型，盡管目前已經(jīng)存在標(biāo)準(zhǔn)化的無線傳播模型，并且在大量實(shí)測與理論研究工作的基礎(chǔ)上提供了許多種MIMO信道模型，但是至今還沒有被ITU所認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化MIMO信道模型(3GPP已制定出了有關(guān)MIMO的信道模型標(biāo)準(zhǔn))。因此，了解和掌握戶內(nèi)和戶外環(huán)境中無線MIMO信道的特性，建立MIMO信道的靜態(tài)模型和特定的動(dòng)態(tài)模型，對選擇合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)優(yōu)良的信號處理算法以實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)潛在的巨大信道容量、取得預(yù)期的性能至關(guān)重要。

 2.MIMO系統(tǒng)的容量相對于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)，MIMO系統(tǒng)無論在性能還是在數(shù)據(jù)的傳輸速率上都是有很大的提高，首先對MIMO系統(tǒng)的信道容量進(jìn)行了深入分析的是Telestar和Foschini，它們分別對高斯噪聲下的MIMO系統(tǒng)容量的研究表明，在假設(shè)各天線相互獨(dú)立條件下，多天線系統(tǒng)比單天線系統(tǒng)有顯著地提高，考慮M副發(fā)送天線、N幅接收天線的無線傳輸系統(tǒng)，在接收端以準(zhǔn)確知道信道傳輸特性的情況下，F(xiàn)oschini的研究表明：當(dāng)M=N時(shí)，得到的與N成比例增加的信道容量。在相同發(fā)射功率和傳輸寬帶下，該系統(tǒng)比單入單出(SISO)系統(tǒng)的信道容量提高了約40多倍。 [3] 3.MIMO天線陣列的設(shè)計(jì)一般情況下，基站天線架設(shè)的較高，天線陣列周圍的近場散射相對較為微弱，因而為了在不同陣元上獲取不相關(guān)的信號往往需要將陣元間至少保持10倍波長間距。當(dāng)天線數(shù)量較大時(shí)，基站線陣列的架設(shè)將可能存在障礙。對于移動(dòng)終端而言，由于近場散射體較為豐富，一般認(rèn)為天線陣元間距1/2波長以上就可以使信號相關(guān)性足夠微弱。極化天線陣可以在同一空間位置利用相互正交的極化狀態(tài)實(shí)現(xiàn)陣元見得不相關(guān)性，因而可相對的減小天線陣列的尺寸。 

 4.MIMO系統(tǒng)的信號處理處于衰落環(huán)境中的陣列天線通信系統(tǒng)面臨著同信道干擾和符號間干擾。為了逼近多天線系統(tǒng)的容量需要很好地信號處理技術(shù)。高性能、低復(fù)雜度的信號檢測方法或聯(lián)合檢測方法一直是研究者的熱點(diǎn)內(nèi)容。 [3] 5.MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜度問題由于MIMO系統(tǒng)中信號被擴(kuò)展至空時(shí)二維中，與單天線系統(tǒng)相比，其信道估計(jì)、信道均衡、譯碼、檢測環(huán)節(jié)的復(fù)雜度都將隨著天線數(shù)量或者信號調(diào)制階數(shù)的增長而急劇增加，而算法計(jì)算量又將直接影響到處理時(shí)延、設(shè)備功耗以及待機(jī)時(shí)間。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，限制MIMO系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵因素就是多個(gè)射頻鏈路所帶來的的昂貴成本。對于降低“軟件”的計(jì)算復(fù)雜度，為MIMO系統(tǒng)提供更為簡單而且有效的信號處理方法和各種空時(shí)編、譯碼方案層出不窮。對于降低“硬件”成本，天線選擇則是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)，其可在保持MIMO技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，大幅度降低處理復(fù)雜度和硬件成本，是將MIMO系統(tǒng)推向?qū)嵱没囊粋€(gè)研究重點(diǎn)。6.MIMO系統(tǒng)的分集與復(fù)用MIMO系統(tǒng)的本質(zhì)是提供分集增益和復(fù)用增益。前者保證系統(tǒng)的傳輸可靠性，后者提高系統(tǒng)的傳輸速率。早期文獻(xiàn)大多數(shù)集中在發(fā)送分集和空間復(fù)用單獨(dú)使用或單獨(dú)與編碼結(jié)合使用，研究表明，多天線系統(tǒng)能同時(shí)提供分集和空間復(fù)用，兩者之間存在折衷關(guān)系。通過合理利用MIMO系統(tǒng)分集和復(fù)用兩種模式來最大限度獲得系統(tǒng)增益是非常值得探討的。7.(多小區(qū))多用戶MIMO系統(tǒng)從理論上講，多用戶MIMO系統(tǒng)的容量域已經(jīng)得到解決，但是如何讓容量域滿足各種用戶對傳輸速率的要求，仍然沒有很好地解決。再者，在廣播信道中，由于MIMO系統(tǒng)存在天線間和用戶間干擾，如何設(shè)計(jì)發(fā)送向量以消除用戶間的共信道干擾，如何使功率受限時(shí)系統(tǒng)的容量和每個(gè)用戶特定QoS的功率控制最優(yōu)化的問題，以及存在多小區(qū)多用戶系統(tǒng)時(shí)的相關(guān)技術(shù)仍是研究重點(diǎn)。 [3]

MIMO技術(shù)基本原理MIMO技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。MIMO技術(shù)的實(shí)質(zhì)是為系統(tǒng)提供空間分集增益與空間復(fù)用增益。 [3] 發(fā)射端通過空時(shí)映射將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號映射到多根天線上發(fā)送出去，接收端將各根天線接收到的信號進(jìn)行空時(shí)譯碼從而恢復(fù)出發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。

根據(jù)空時(shí)映射方法的不同，MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：空間分集和空間復(fù)用。空間分集是指利用多根發(fā)送天線將具有相同信息的信號通過不同的路徑發(fā)送出去，同時(shí)在接收機(jī)端獲得同一個(gè)數(shù)據(jù)符號的多個(gè)獨(dú)立衰落的信號，從而獲得分集提高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用一根發(fā)射天線n 根接收天線，發(fā)送信號通過n 個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為n 。對于發(fā)射分集技術(shù)來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天線n 根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對之間的路徑增益是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。目前在MIMO系統(tǒng)中常用的空間分集技術(shù)主要有空時(shí)分組碼(Space Time Block Code，STBC)和波束成形技術(shù)。STBC是基于發(fā)送分集的一種重要編碼形式，其中最基本的是針對二天線設(shè)計(jì)的Alamouti方案。STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天線上面要傳輸?shù)男盘柺噶肯嗷フ弧Ｊ褂肧TBC技術(shù)，能夠達(dá)到滿分集的效果，即在具有M根發(fā)射天線N 根接收天線的系統(tǒng)中采用STBC技術(shù)時(shí)最大分集增益為MN。波束成形技術(shù)是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效提高天線增益。為了能夠最大化指向用戶的波束的信號強(qiáng)度，通常波束成形技術(shù)需要計(jì)算各個(gè)發(fā)射天線上發(fā)送數(shù)據(jù)的相位和功率，也稱之威波束成形矢量。常見的波束成形矢量計(jì)算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根發(fā)射天線采用波束成形技術(shù)可以獲得的最大發(fā)送分集增益為M?？臻g復(fù)用技術(shù)是將要傳送的數(shù)據(jù)可以分成幾個(gè)數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進(jìn)行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。常用的空間復(fù)用方法是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的垂直分層空時(shí)碼，即V-BLAST技術(shù)。