移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)
加入技術(shù)交流群
ＭＩＭＯ是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，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(huì)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(shí)，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(shí)碼（ＢＬＡＳＴ）算法[２]。后來另外一個(gè)突破性的方案，即空時(shí)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(hào)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://www.ex-cimer.com/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(duì)ＭＩＭＯ信道所進(jìn)行的研究也主要圍繞這兩個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)通道（ＭＩＭＯ子信道）發(fā)射信號(hào)，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(hào)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成幾個(gè)平行的信號(hào)流？并且在同一頻帶上使用各自的天線同時(shí)傳送，由于多徑傳播？每一副發(fā)射天線針對(duì)接收端產(chǎn)生一個(gè)不同的空間信號(hào)，接收方利用信號(hào)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(gè)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(shí)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(hào)，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(hào)相互干擾造成的錯(cuò)誤最小，盡管它降低了信號(hào)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(duì)角－貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)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(duì)所有的發(fā)送信號(hào)一起解碼，而是首先對(duì)最強(qiáng)的信號(hào)解碼，然后在接收到的信號(hào)中減去這個(gè)最強(qiáng)的信號(hào)，再對(duì)剩余信號(hào)中的最強(qiáng)信號(hào)解碼，再減去這個(gè)信號(hào)，這樣依次進(jìn)行，直到所有的信號(hào)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(hào)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(gè)位置間距大于天線之間的相關(guān)距離（通常相隔十個(gè)信號(hào)波長以上），就認(rèn)為兩處的信號(hào)完全不相關(guān)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shí)接收信號(hào)，然后在基帶處理中將多路信號(hào)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(gè)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(hào)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(hào)中的一個(gè)質(zhì)量最好的天線的信號(hào)，并使用該信號(hào)作為接收到的信號(hào)。由于最大比率合并之后信號(hào)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(shí)編碼（參見文獻(xiàn)［３？５］）?？諘r(shí)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。空時(shí)碼在將數(shù)據(jù)分成ｎ個(gè)數(shù)據(jù)子流在Ｎ副天線上同時(shí)發(fā)射時(shí)，建立了空間分離信號(hào)（空域）和時(shí)間分離信號(hào)（時(shí)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(shí)，這些空時(shí)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(shí)碼還可以獲得一定的編碼增益。
基于分集發(fā)射的空時(shí)碼可以分為空時(shí)格碼（ＳＴＴＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｔｒｅｌｌｉｓ Ｃｏｄｅ）和空時(shí)塊碼（ＳＴＢＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｂｌｏｃｋ Ｃｏｄｅ）。空時(shí)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(huì)損失分集增益，這可以認(rèn)為是空時(shí)塊碼的原始模型。在這個(gè)基礎(chǔ)上Ｔａｒｏｋｈ提出了空時(shí)塊碼，正交設(shè)計(jì)理論的空時(shí)塊碼性能稍遜于空時(shí)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(shí)編碼的信號(hào)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(shí)分集發(fā)射（ＳＴＴＤ：Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）、時(shí)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(gè)甚至三個(gè)基站同時(shí)向一個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射同樣的信號(hào)，這是宏分集發(fā)射；同樣，接收時(shí)通過相鄰的基站進(jìn)行分集接收（多個(gè)基站接收），即進(jìn)行宏分集接收。
評(píng)論