多入多出智能天線技術(shù).doc

1 前言多入多出(MIMO)或多發(fā)多收天線(MTMRA)技術(shù)是無線移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。多入多出技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。普遍認(rèn)為，多入多出將是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。早在70年代就有人提出將多入多出技術(shù)用于通信系統(tǒng)，但是對(duì)無線移動(dòng)通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動(dòng)的奠基工作則是90年代由AT&T Bell實(shí)驗(yàn)室學(xué)者完成的。1995年Teladar1給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia2給出了一種多入多出處理算法對(duì)角-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(D-BLAST)算法；1998年Tarokh3等討論了用于多入多出的空時(shí)碼；1998年Wolniansky等人4采用垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(V-BLAST)算法建立了一個(gè)MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗(yàn)中達(dá)到了20 bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統(tǒng)中極難實(shí)現(xiàn)。這些工作受到各國學(xué)者的極大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速發(fā)展。2 多入多出概念通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道。MIMO的多入多出是針對(duì)多徑無線信道來說的。圖1所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖。傳輸信息流s(k)經(jīng)過空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci(k)，I=1，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。圖1 多入多出系統(tǒng)原理特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而可實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對(duì)于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為1C=min(M,N)Blog2(/2)其中B為信號(hào)帶寬，為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時(shí)，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對(duì)數(shù)增加而增加。相對(duì)而言，多入多出對(duì)于提高無線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。3 空時(shí)碼MIMO通過多天線發(fā)射多數(shù)據(jù)流并由多天線接收實(shí)現(xiàn)最佳處理，可實(shí)現(xiàn)很高的容量。這種最佳處理是通過空時(shí)編碼和解碼實(shí)現(xiàn)的。文獻(xiàn)25已經(jīng)提出了不少M(fèi)IMO空時(shí)碼，其中包括空時(shí)網(wǎng)格碼3、空時(shí)分組碼5、空時(shí)分層碼2，4 。限于篇幅，本文只簡單介紹空時(shí)分組碼的概念。為了實(shí)現(xiàn)分集，接收機(jī)首先應(yīng)將各獨(dú)立信道分開，然后再實(shí)現(xiàn)最優(yōu)結(jié)合。同樣地，為了實(shí)現(xiàn)MIMO處理，各接收機(jī)也必須先將收到的各發(fā)射機(jī)發(fā)來的子流分開再進(jìn)行處理。對(duì)22天線(2天線發(fā)射機(jī)和2天線接收機(jī))情況，Alamouti5采用了一種特殊的發(fā)射編碼方法使接收機(jī)能實(shí)現(xiàn)這種分開。圖2 2x2空時(shí)分組碼圖2示出了一個(gè)采用空時(shí)分組碼2天線發(fā)射機(jī)和2天線接收機(jī)的框圖。輸入信息首先分成兩個(gè)符號(hào)一組c1、c2。在兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，兩天線同時(shí)發(fā)射兩個(gè)符號(hào)。第1周期，天線1發(fā)c1，天線2發(fā)c2；在第2周期，天線1發(fā)-c*2，天線2發(fā)c*1。設(shè)由發(fā)射天線j到接收天線i的信道響應(yīng)為hij (i=1,2，j=1,2)，且設(shè)兩個(gè)相鄰符號(hào)周期內(nèi)hij 是恒定的。對(duì)于接收天線1，相鄰兩周期的接收信號(hào)分別為：r11=h11c1+h12c2+11r12=-h11c*2+h12c*1+12其中，11，21為均值為零、方差為N0的相互獨(dú)立復(fù)高斯變量。令r1=r11,(r12)*，c=c1,c2，=11,12則上式可表為：r1=H1c+1其中：并且H1*H1=1I，H1*為H1的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，1=|h11|2+|h12|2。若對(duì)接收矢量r1用H1*進(jìn)行線性變換，設(shè)變換后矢量為r1則有：r1=H1*r1=c+上式歸結(jié)為兩個(gè)純量方程：r11=c1+11r12=c2+12即采用H1*就可將子流c1，c2分開，從而分別實(shí)現(xiàn)最優(yōu)處理。同時(shí)考慮兩個(gè)接收天線時(shí)，相應(yīng)信號(hào)區(qū)分處理為：其中H2*，r2與H1，r1同樣定義。上式表明采用線性變換H1* H2*即可實(shí)現(xiàn)需要的區(qū)分，進(jìn)而用純量方程進(jìn)行最優(yōu)檢測(cè)處理。 Tarokh將上述結(jié)果推廣到發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)大于2的情況。4 研究近況目前，各國學(xué)者對(duì)于MIMO的理論、性能、算法和實(shí)現(xiàn)的各方面正廣泛進(jìn)行研究。下面簡述其中部分研究工作情況。在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面已有一批文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)涉及相當(dāng)廣泛的內(nèi)容。但是由于無線移動(dòng)通信MIMO信道是一個(gè)時(shí)變、非平穩(wěn)多入多出系統(tǒng)，尚有大量問題需要研究。比如說，各文獻(xiàn)大多假定信道為分段-恒定衰落信道。這對(duì)于寬帶信號(hào)的4G系統(tǒng)及室外快速移動(dòng)系統(tǒng)來說是不夠的，因此必須采用復(fù)雜的模型進(jìn)行研究。已有不少文獻(xiàn)在進(jìn)行這方面的工作，即對(duì)信道為頻率選擇性衰落和移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)情況進(jìn)行研究。再有，在基本文獻(xiàn)中，均假定接收機(jī)精確已知多徑信道參數(shù)，為此，必須發(fā)送訓(xùn)練序列對(duì)接收機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練。但是若移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度過快，就使得訓(xùn)練時(shí)間太短，這樣快速信道估計(jì)或盲處理就成為重要的研究內(nèi)容。一些文獻(xiàn)中，除了假定接收機(jī)完全已知信道參數(shù)之外，一般均假定發(fā)射機(jī)完全未知信道參數(shù)，MIMO處理的空時(shí)編碼是按照假定發(fā)射機(jī)對(duì)信道完全未知的條件設(shè)計(jì)的。顯然若某種方式的發(fā)射機(jī)具有關(guān)于信道的知識(shí)，利用該知識(shí)應(yīng)該能夠改善性能或簡化結(jié)構(gòu)。Joigren等研究了發(fā)射機(jī)已知部分信道知識(shí)的情況，并提出了一種基于線性變換的結(jié)合普通發(fā)射數(shù)字波束形成和正交空時(shí)分組碼的MIMO處理結(jié)果?？諘r(shí)編碼是MIMO的基本問題，前文中已列舉了一些基本的空時(shí)編碼方法。學(xué)者們正在不斷地提出新的或改進(jìn)的方法，以改善MIMO性能，減少空時(shí)編碼系統(tǒng)復(fù)雜性，更好地適應(yīng)新一代無線通信系統(tǒng)要求和信道實(shí)際情況。這方面已發(fā)表了相當(dāng)多的文獻(xiàn)。如Hochwald等提出了一種針對(duì)分段-恒定衰落信道的新的信號(hào)調(diào)制方法單式空時(shí)調(diào)制(Unitary Space-time Modulation)。這種方法可以在不估計(jì)信道傳輸矩陣的條件下很好地進(jìn)行MIMO處理。隨后，他們又將該方法推廣到連續(xù)衰落信道情況，提出了微分單式空時(shí)碼。TURBO碼結(jié)合網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)空時(shí)碼可以克服幀誤差率隨幀長增加而增加的問題，并可大為降低碼結(jié)構(gòu)和信道結(jié)構(gòu)的相互作用。空時(shí)TURBO碼的這些優(yōu)點(diǎn)引起了學(xué)者的廣泛注意。比如，Sallathurai等針對(duì)V-BLAST的問題，提出采用軟對(duì)消方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的TURBO編碼與貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(BLAST)算法結(jié)構(gòu)結(jié)合的MIMO處理方案。為了在新一代系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用MIMO技術(shù)，就必須結(jié)合具體通信體制(多址方式、雙工方式、調(diào)制方式、常規(guī)信道編碼方式、多用戶檢測(cè)方式、波束形成方式等)進(jìn)行性能研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。近來，已有一批有關(guān)的研究結(jié)果發(fā)表。比如，Agrawal等提出了一種正交頻分多復(fù)用(OFDM)與空時(shí)碼結(jié)合的MIMO方案。Goeckel等提出了用于OFDM的多維信號(hào)集。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步，目前各大公司均在研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。Bell實(shí)驗(yàn)室的BLAST系統(tǒng)4是最早研制的MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9 GHz，發(fā)射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。頻譜利用率達(dá)到了25.9 bits/(Hzs)。但單該系統(tǒng)僅對(duì)窄帶信號(hào)和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了研究，對(duì)于在3G、4G應(yīng)用尚有相當(dāng)大距離。實(shí)際系統(tǒng)研究的一個(gè)重要問題是在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)多天線和多路接收，學(xué)者們正大力進(jìn)行這方面的研究。由于移動(dòng)終端設(shè)備要求體積小、重量輕、耗電小，因而還有大量工作要做。參考文獻(xiàn)1 Telatar E. 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