《軟件無線電原理與技術(shù)》課件-第7章

7.1智能天線

7.2MIMO

7.3總結(jié)理想軟件無線電要求天線能夠覆蓋所有的頻段，適應(yīng)不同的協(xié)議、信道環(huán)境，能用程序控制方法對(duì)其功能和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。因此針對(duì)軟件無線電，一方面需要對(duì)寬帶/多頻段天線設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，另一方面考慮采用可重構(gòu)多天線陣列來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性。在本書中僅對(duì)后者進(jìn)行討論。

所謂天線陣列，是指在無線鏈路兩端采用多個(gè)天線來提升系統(tǒng)性能?？芍貥?gòu)是指多天線陣列中各陣元之間的關(guān)系是可以根據(jù)實(shí)際情況靈活可變的，而非固定的。軟件無線電需要使用可重構(gòu)多天線陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)收發(fā)的靈活性，并獲得系統(tǒng)的最佳性能。同時(shí)，可重構(gòu)多天線陣列的實(shí)現(xiàn)需要軟件無線電所提供的靈活的結(jié)構(gòu)。從實(shí)際的角度看，天線部分雖然是由固定的硬件來實(shí)現(xiàn)的，但是由于軟件無線電具有數(shù)字信號(hào)處理器，通過對(duì)天線陣列收發(fā)信號(hào)進(jìn)行處理，就形成了可以動(dòng)態(tài)配置天線特性的能力，可達(dá)到提高信噪比，抑制信道干擾，增大系統(tǒng)容量的目的。

因此，可重構(gòu)多天線陣列和軟件無線電兩者是互補(bǔ)的關(guān)系?？芍貥?gòu)多天線陣列通常有兩種主要的類型：一種是基于波束賦形的智能天線技術(shù)；另一種是基于空間分集的多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)。這兩種技術(shù)的著眼點(diǎn)不同，應(yīng)用目的不同，但系統(tǒng)構(gòu)成形式是比較類似的，即均是多天線系統(tǒng)(一般可以根據(jù)發(fā)射和接收兩端天線的數(shù)目把系統(tǒng)分為SISO、SIMO、MISO、MIMO四類)，在一些國外的文獻(xiàn)中往往并不加以區(qū)分，常統(tǒng)稱為智能天線技術(shù)或MIMO技術(shù)。在這里，我們可以認(rèn)為智能天線是一種特殊的MIMO系統(tǒng)。下面分別對(duì)這兩種技術(shù)予以介紹。7.1智能天線智能天線是一種天線陣列系統(tǒng)，它可以通過某種“智能”算法來合并信號(hào)以自動(dòng)地適應(yīng)不同的信號(hào)環(huán)境，表現(xiàn)為對(duì)于給定的方向，天線增益是可以調(diào)整的。智能天線的概念來源于軍事上雷達(dá)和聲納系統(tǒng)中所采用的陣列天線，在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)，最初的應(yīng)用是雷達(dá)天線陣，目的是提高雷達(dá)的性能和電子對(duì)抗的能力?，F(xiàn)代智能天線的概念是20世紀(jì)80年代末到90年代初提出的。從大的技術(shù)類別來講，智能天線技術(shù)可分為模擬智能天線技術(shù)和數(shù)字智能天線技術(shù)。通常我們所講的智能天線都是與軟件無線電聯(lián)系在一起的數(shù)字智能天線技術(shù)，而實(shí)際上早期的相控陣天線與較新的ESPAR天線采用的都是模擬智能天線技術(shù)。

模擬智能天線技術(shù)是指無需對(duì)射頻或變至中頻/基帶的模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理，而直接對(duì)接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)智能天線的技術(shù)。這類天線通常比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本也較低。但由于沒有將模擬信號(hào)數(shù)字化，因而很多數(shù)字域的信號(hào)處理方法都無用武之地，限制了信號(hào)處理的可能手段。數(shù)字智能天線技術(shù)則指在射頻或中頻將模擬信號(hào)數(shù)字化，然后利用豐富的數(shù)字信號(hào)處理理論和發(fā)達(dá)的集成電路技術(shù)造就的DSP、FPGA或ASIC等實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字波束賦形(DBF，DigitalBeamForming)。

近年來，隨著微計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，智能天線技術(shù)已經(jīng)成為無線通信中最具有吸引力的技術(shù)之一。在無線通信中，信息傳輸需要帶寬、功率等資源，通常增加傳輸速率需要增加功率或帶寬。但是與有線通信不同，在無線通信中增加功率會(huì)分散到很大的空間范圍內(nèi)，僅僅只有很小的部分才會(huì)被期望用戶所接收，而大部分被浪費(fèi)的功率則被認(rèn)為是對(duì)系統(tǒng)其他潛在用戶的干擾，如圖7-1所示。圖7-1全向天線和智能天線的使用差異(a)全向天線；(b)智能天線因此，實(shí)現(xiàn)空間的選擇性發(fā)射和接收將有效地增加系統(tǒng)容量、覆蓋范圍等，這種選擇性可以用空域?yàn)V波的概念進(jìn)行描述，可利用信號(hào)入射方向上的差別將同頻率、同時(shí)隙的信號(hào)區(qū)分開來，從而達(dá)到成倍擴(kuò)展通信系統(tǒng)容量的目的。進(jìn)一步地，空間維度可以用于多址接入技術(shù)中，與常見的FDMA、TDMA、CDMA多址接入技術(shù)類同，我們可利用信號(hào)的空間選擇性發(fā)射/接收實(shí)現(xiàn)多址接入，這稱為空分多址(SDMA)，如圖7-2所示。圖7-2天線的空間選擇這種空間域的選擇性發(fā)射和接收必須依賴于智能天線技術(shù)，該技術(shù)可以非常有效地調(diào)整天線的時(shí)域、頻域、空域的響應(yīng)，可以為每個(gè)用戶提供一個(gè)很窄的定向波束，使信號(hào)在有限的方向區(qū)域內(nèi)發(fā)送和接收，充分利用信號(hào)發(fā)射功率，降低信號(hào)全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾。智能天線系統(tǒng)可以依靠信號(hào)處理能力合并多個(gè)天線陣元接收的信號(hào)，使發(fā)射或接收天線方向圖最佳化，以自適應(yīng)信號(hào)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)抑制噪聲、自動(dòng)跟蹤所需信號(hào)等功能。采用智能天線的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)容量增加。采用智能天線的SDMA系統(tǒng)允許多用戶采用相同的頻率和時(shí)間進(jìn)行通信而互不干擾，每個(gè)用戶分別分配不同的射頻波束。

(2)覆蓋范圍的增加。采用智能天線可以獲得較大的天線增益，這樣可以實(shí)現(xiàn)功率不變的情況下覆蓋范圍增加，或者在覆蓋范圍不變的情況下系統(tǒng)功耗下降。

(3)可支持高的數(shù)據(jù)速率。

(4)有利于消除“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。

(5)降低了同信道干擾、鄰近信道干擾和多址干擾。

(6)低的信號(hào)截獲/檢測(cè)概率。

(7)能夠?qū)苟鄰?、衰落、噪聲?/p>

(8)增強(qiáng)了用戶位置估計(jì)能力。7.1.1智能天線原理

智能天線也叫自適應(yīng)天線，由多個(gè)天線單元組成，形成了一個(gè)天線陣列，每一個(gè)天線后接一個(gè)復(fù)數(shù)加權(quán)器，最后用相加器進(jìn)行合并輸出。自適應(yīng)或智能的主要含義是指這些加權(quán)器的系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)更新調(diào)整。

智能天線的原理并不復(fù)雜。假設(shè)天線滿足窄帶傳輸條件，入射信號(hào)在天線各陣元的響應(yīng)輸出只有相位差，且入射信號(hào)為平面波(即只有一個(gè)入射方向)，則這些相位差由載波波長、入射角度、天線位置分布唯一確定。給定一組加權(quán)值和一定的入射信號(hào)強(qiáng)度，不同入射角度的信號(hào)由于在天線間的相位差不同，因此合并后的輸出信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)不同。單一天線陣元的方向圖波束可以認(rèn)為是全向的，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，不能有效地接收有用信號(hào)，并屏蔽其他干擾和多徑干擾。如果能夠針對(duì)波達(dá)方向形成指向性波束，而對(duì)于其他方向形成較低的增益，則將大大提高系統(tǒng)的性能，這種形成指向性波束的過程就稱為波束賦形。波束賦形是通過陣列單元的加權(quán)合并完成的，而這一部分通常在基帶部分通過數(shù)字信號(hào)處理器完成，因此也稱為數(shù)字波束賦形。在理想情況下，智能天線可以做到將天線方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，而把副瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾，一般M個(gè)天線陣元可以產(chǎn)生M-1個(gè)零陷對(duì)準(zhǔn)干擾方向。但實(shí)際的無線通信環(huán)境很復(fù)雜，干擾信號(hào)很多，存在多徑效應(yīng)，自由度有限(由天線陣元數(shù)決定)，有用信號(hào)和干擾信號(hào)在入射方向上只有很小的夾角等因素都使得實(shí)際情況達(dá)不到理想的要求。但是追求最大的信噪比仍然是系統(tǒng)的最終目標(biāo)。

1.天線陣列

構(gòu)成智能天線的天線陣列可以具有任意的形式，但大多數(shù)是直線或圓形陣列。圖7-3給出了四種天線陣列形態(tài)。圖(a)為一維的直線陣列，最為簡單而且易于實(shí)現(xiàn)，是最為常見的結(jié)構(gòu)，可以在方位角上進(jìn)行波束賦形；圖(b)為圓陣，陣元均勻分布在圓周上，在方位角上進(jìn)行波束賦形；圖(c)是二維的直線陣列，圖(d)是三維的直線陣列，它們都可以在二維上即在方位角和仰角上進(jìn)行波束賦形，波束可以指向空間的任何一點(diǎn)。圖7-3天線陣列

2.天線陣列的波束賦形原理

一個(gè)天線陣列由若干個(gè)空間分隔的陣元構(gòu)成，其陣元輸出送入到一個(gè)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)或波束賦形單元中。天線陣列可以用于發(fā)射或接收。在對(duì)天線陣列進(jìn)行分析的時(shí)候，有以下假設(shè)：

(1)天線陣列接收的信號(hào)是若干個(gè)平面波，每個(gè)平面波即表示一個(gè)多徑分量。

(2)發(fā)射機(jī)以及可引起多徑分量的物體位于天線陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)。

(3)天線陣列的陣元之間間距足夠小，或滿足窄帶假設(shè)條件，即信號(hào)帶寬遠(yuǎn)小于信號(hào)波跨陣列最大口徑傳播時(shí)間的倒數(shù)，這保證了陣列中所有陣元能幾乎同時(shí)采集同一個(gè)信號(hào)。使任意兩個(gè)陣元所接收的信號(hào)幅度沒有大的差異，僅有相位差異。

(4)每個(gè)陣元均假定有相同的方向圖和指向，一般是全向陣元。

(5)不考慮陣元之間的互感。這里首先通過最簡單的直線陣來說明陣元與方向圖之間的關(guān)系。

如圖7-4所示，對(duì)同一入射波s(t)，各陣元輸出響應(yīng)之間將只有相位差異而沒有幅度差異。取幅度為A(t)，第m個(gè)陣元的相位為γm(t)，M個(gè)天線按圖示形成線陣，陣元之間間距為d，信號(hào)入射方向?yàn)棣?入射方向與線陣法線的夾角)，c為光速。圖7-4直線陣若令最先收到信號(hào)的天線為參考天線，則到達(dá)第m個(gè)陣元的時(shí)間延遲為

(7-1)相對(duì)于波長λ的信號(hào)，該時(shí)間延遲所造成的相位差為

(7-2)式中：=(2πdsinθ)/λ。這樣，第m個(gè)陣元上用戶的信號(hào)為(為簡單計(jì)，不考慮幅度的變化)

(7-3)這樣，直線陣總的輸出為

(7-4)只要對(duì)陣元的權(quán)值wm控制得當(dāng)，就可以移動(dòng)波束的指向。例如，令

(7-5)則天線陣輸出絕對(duì)值歸一化后為

(7-6)當(dāng)ψ=ψd時(shí)有最大的輸出，與之相對(duì)應(yīng)的入射角為

(7-7)這樣，只要根據(jù)需要相應(yīng)改變各陣元的相移就可以改變天線陣的指向。下面對(duì)一般情況進(jìn)行簡要分析。圖7-5給出了一個(gè)具有M個(gè)陣元的陣列，其參考陣元位于原點(diǎn)，第m個(gè)陣元的坐標(biāo)為(xm，ym，zm)，不同陣元所接收的信號(hào)之間僅存在一個(gè)相移。圖7-5天線陣列第m個(gè)陣元與第1個(gè)陣元之間的相移為

(7-8)這里，，為自由空間傳輸常量。第m個(gè)陣元接收的信號(hào)為

(7-9)式中：A(t)為幅度；γm(t)為信號(hào)相位。M個(gè)陣元的信號(hào)可構(gòu)成一個(gè)向量，即

(7-10)第m個(gè)陣元和第1個(gè)陣元的接收信號(hào)之比為

(7-11)這樣對(duì)于一個(gè)到達(dá)角為(ψ,θ)的平面波，其天線陣列的響應(yīng)可以表示為

(7-12)取權(quán)系數(shù)矩陣：

(7-13)每個(gè)陣元的輸出與相應(yīng)的復(fù)權(quán)系數(shù)相乘并相加得到陣列的輸出為

(7-14)式中：AF(ψ,θ)稱為陣列因子(ArrayFactor)。陣列因子是波達(dá)方向(ψ,θ)的函數(shù)，決定了陣列輸出端的信號(hào)v(t)與參考陣元處測(cè)得的信號(hào)u1(t)的比值，是參考陣元處形成的場(chǎng)方向圖。通過調(diào)整權(quán)系數(shù)w可以將陣列因子的最大主瓣對(duì)準(zhǔn)任意方向(ψd,θd)。由以上推導(dǎo)可以知道，智能天線通過對(duì)權(quán)值向量w的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)將波束對(duì)準(zhǔn)來波方向，這個(gè)過程即為智能天線的賦形。智能天線按其賦形的實(shí)現(xiàn)方式可以分為固定波束賦形天線和自適應(yīng)賦形天線。固定波束賦形天線的權(quán)值向量是固定的，在對(duì)準(zhǔn)用戶的時(shí)候選擇與用戶位置最接近的一組波束權(quán)值即可，而自適應(yīng)賦形天線能夠通過系統(tǒng)提供的用戶信息自動(dòng)生成一組最佳的波束權(quán)值。我們也注意到，采用權(quán)向量進(jìn)行波束賦形的過程與FIR濾波器的過程非常接近，只不過將過去的時(shí)間采樣換成了空間采樣，因此這個(gè)過程也稱為空間濾波。

智能天線所提供的性能改善由陣列增益(arraygain)描述，它定義為由于相關(guān)合并獲得的信噪比增加。7.1.2智能天線的分類

智能天線通常包括波束切換智能天線(SwitchedBeamAntenna)和自適應(yīng)陣列智能天線(AdaptiveArrayAntenna)，如圖7-6所示。圖7-6智能天線的類型(a)波束切換智能天線;(b)自適應(yīng)陣列智能天線

1.波束切換智能天線

波束切換智能天線由多個(gè)固定的預(yù)波束構(gòu)成，這些預(yù)波束分別指向不同的方向，如圖7-6(a)所示。天線陣列創(chuàng)建一組疊加的波束，主瓣緊密結(jié)合成花瓣形狀，覆蓋了所有方向。

這種系統(tǒng)檢測(cè)并掃描每個(gè)波束的輸出，從中間選擇具有最強(qiáng)接收信號(hào)的波束，并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)從一個(gè)波束到另一個(gè)波束的切換，在任一時(shí)間系統(tǒng)只采用單波束模式。波束切換通常只用于信號(hào)的接收，因?yàn)橄到y(tǒng)不能明確地感應(yīng)接收到的信號(hào)的位置，波束的錯(cuò)誤發(fā)射將顯而易見。波束切換智能天線可以擴(kuò)大覆蓋的范圍，同時(shí)也能使干擾遠(yuǎn)離工作波束中心。這種天線的實(shí)現(xiàn)運(yùn)算較為簡單，但是性能也比較有限。

2.自適應(yīng)陣列智能天線

自適應(yīng)陣列智能天線也稱為自適應(yīng)波束賦形智能天線，該類智能天線一般采用4~16天線陣元結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶信號(hào)的到達(dá)方向，并在此方向上形成天線主波束，即對(duì)接收和發(fā)射波束進(jìn)行自適應(yīng)的賦形，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定位或跟蹤用戶信號(hào)，并將零陷對(duì)準(zhǔn)干擾方向，使接收信號(hào)信干比最大，如圖7-6(b)所示。目前，自適應(yīng)陣列智能天線已經(jīng)成為智能天線發(fā)展的主流。雖然天線陣列是射頻前端的很重要的設(shè)備，但自適應(yīng)陣列智能天線技術(shù)最重要的部分還在于基帶處理部分?；鶐Р糠謱⒆赃m應(yīng)天線陣列接收到的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)和合并，從而使信干比最大，即實(shí)現(xiàn)了數(shù)字波束賦形。常用的波束賦形算法主要有兩種：基于訓(xùn)練序列的波束賦形算法和盲波束賦形算法。基于訓(xùn)練序列的波束賦形算法通過發(fā)送參考信號(hào)或訓(xùn)練序列來確定信道響應(yīng)，然后根據(jù)一定的準(zhǔn)則調(diào)整權(quán)值。常用的準(zhǔn)則有MMSE(最小均方誤差)、LMS(最小均方)和RLS(遞歸最小二乘)等。盲波束賦形算法又分為兩種。一種是依賴于DOA估計(jì)的盲波束賦形算法，通過對(duì)接收到的陣列矢量信號(hào)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行分析，從而估計(jì)期望信源的方向。DOA估計(jì)的基本問題就是確定同時(shí)處在空間某一區(qū)域內(nèi)多個(gè)感興趣的信號(hào)的空間位置(即各個(gè)信號(hào)到達(dá)陣列參考陣元的方位角，簡稱波達(dá)方向)。提取DOA信息是智能天線技術(shù)中的關(guān)鍵任務(wù)之一。這方面的參數(shù)估計(jì)算法已有很多，如MUSIC(MUltipleSIgnalClassification，多信號(hào)分類)法和ESPRIT(EstimatingSignalParametersviaRotationalInvarianceTechniques，旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)信號(hào)參數(shù)估計(jì))法等。另一種則是利用信道的信號(hào)處理模型和信號(hào)的性質(zhì)，估計(jì)期望信號(hào)方向向量的盲波束賦形算法，如利用通信信號(hào)恒模特性的恒模算法和利用信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)性的盲處理算法。7.1.3智能天線接收機(jī)

圖7-7為智能天線接收示意圖。天線陣列包括M個(gè)陣元，每個(gè)陣元后面接一個(gè)加權(quán)器，即乘以某個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)通常為復(fù)數(shù)，既可以調(diào)節(jié)相位，也可以調(diào)節(jié)幅度(在相控陣?yán)走_(dá)中只可以調(diào)節(jié)相位)，加權(quán)后的M個(gè)信號(hào)通過相加器合并為一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)作為后級(jí)接收機(jī)的輸入。如圖7-7所示，智能天線接收部分包含四個(gè)單元，除了天線陣列外，還包含射頻接收單元、波束賦形單元和信號(hào)處理單元。其中，在射頻接收單元完成接收信號(hào)的下變頻和A/D變換。圖7-7智能天線接收機(jī)7.1.4智能天線發(fā)射機(jī)

智能天線的發(fā)射部分與接收部分非常類似。如圖7-8所示，發(fā)射信號(hào)分成M個(gè)支路，在波束賦形單元中，每個(gè)支路信號(hào)與相應(yīng)的權(quán)系數(shù)相乘，這些權(quán)系數(shù)決定了發(fā)射方向圖是在信號(hào)處理單元計(jì)算得到的。圖7-8中，射頻接收單元內(nèi)包含DAC和上變頻器。在實(shí)際中，某些部分(例如天線本身和信號(hào)處理單元)與接收部分是共用的。圖7-8智能天線發(fā)射機(jī)發(fā)射與接收的不同之處在于：發(fā)射的時(shí)候并不知道空間信道響應(yīng)。這樣，發(fā)射時(shí)最佳的波束賦形較為困難，最常用的方法是通過幾何方法估計(jì)來波方向。該方法假定接收時(shí)信號(hào)的方向也就是信號(hào)的發(fā)射方向。這樣在使用時(shí)首先通過接收信號(hào)對(duì)來波方向進(jìn)行估計(jì)，然后通過選擇權(quán)系數(shù)將發(fā)射方向圖指向來波方向，另外還可將零陷指向其他非期望用戶，這樣可以降低這些用戶所受的干擾。由于多徑衰落的影響，在選擇發(fā)射方向時(shí)需要在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)接收信號(hào)方向進(jìn)行平均。這樣，與接收情況相比，這種情況的權(quán)系數(shù)計(jì)算是次佳的。以移動(dòng)通信系統(tǒng)為例，若采用時(shí)分復(fù)用體制，則由于移動(dòng)終端和基站使用相同的載波頻率，因此僅僅在時(shí)間上是分隔

的。如果在基站采用智能天線，那么在這種情況下通過上行鏈路計(jì)算得到的權(quán)系數(shù)對(duì)于下行鏈路而言也是最佳的，當(dāng)然其前提是在上、下行鏈路的轉(zhuǎn)換過程中信道特性未發(fā)生變化。這樣的假定是有一定限制的，比如在移動(dòng)終端移動(dòng)速度過快的場(chǎng)合。如果在頻分復(fù)用體制中，上、下行鏈路的頻率不同，則上、下行鏈路的信道響應(yīng)是相互獨(dú)立的，因此最佳權(quán)系數(shù)通常是不同的。7.2MIMO無線信道的一個(gè)重要特性是存在衰落。衰落可以理解為信號(hào)在通過信道時(shí)所受到的損傷。最初在衰落信道環(huán)境中提出了天線分集技術(shù)，天線分集包括空間分集、極化分集、角度分集。常見的是空間分集，在這種分集情況下，天線陣列中的陣元之間的間隔需要大于相干距離以獲得低的衰落相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)通常小于0.7)。圖7-9給出了信道衰落相關(guān)程度高低的示意圖，圖7-9(a)所示就是在前面介紹的智能天線中所應(yīng)用的情況，圖7-9(b)為本節(jié)所提到的低相關(guān)系數(shù)的情況，由圖可以看到兩者的差別。因此如果在多徑環(huán)境中采用多天線系統(tǒng)替代單天線系統(tǒng)，則系統(tǒng)抗衰落性能會(huì)得到很大的提高，而且如果在發(fā)射和接收兩端均采用多天線，即構(gòu)成MIMO系統(tǒng)，則會(huì)有效地提高信道容量。有結(jié)論明確表明：若接收天線數(shù)目不小于發(fā)射天線數(shù)目，則MIMO系統(tǒng)的信息容量隨發(fā)射天線數(shù)目增加而呈線性增加。因此，現(xiàn)在MIMO技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。圖7-9衰落的相關(guān)性示意圖7.2.1MIMO信道為了描述MIMO信道，令發(fā)射天線數(shù)目為Nt，接收天線數(shù)目為Nr，這樣在某特定時(shí)刻m，發(fā)射的符號(hào)構(gòu)成一個(gè)Nt×1的矢量X［t］，接收的符號(hào)構(gòu)成一個(gè)Nr×1的矢量Y［t］，關(guān)系為Y［t］=HX［t］+N［t］(7-15)這里，

(7-16)表示高斯白噪聲，方差為;H為Nr×Nt信道矩陣，即

(7-17)這里，hji表示從發(fā)射天線i到接收天線j的信道系數(shù)。MIMO信道如圖7-10所示。圖7-10MIMO信道這樣，式(7-15)可寫為

(7-18)式中，上標(biāo)t表示在t時(shí)刻。根據(jù)奇異值分解(SVD)理論，Nr×Nt信道矩陣可以進(jìn)行分解，得到

(7-19)E=diag(λ1,λ2,…,λm)

(7-20)λi(i=1，2，…，m)為矩陣H的全部非零奇異值。U和V分別是Nr×Nr和Nt×Nt的酉矩陣，滿足

，其中和分別為Nr×Nr和Nt×Nt的單位陣。這樣，式(7-15)變?yōu)閅［t］=UDVHX［t］+N［t］(7-21)對(duì)式(7-21)進(jìn)行變換，有(7-22)取，則有Y′［t］=DX′［t］+N′［t］(7-23)

于是我們得到了一個(gè)與MIMO信道等效的表達(dá)形式，在這個(gè)等效的表達(dá)形式中，D為信道矩陣，原來的MIMO信道就等效地轉(zhuǎn)化為m個(gè)平行的信道，每個(gè)信道的系數(shù)則為λi，如圖7-11所示。圖7-11MIMO信道轉(zhuǎn)化為多條平行信道這里m個(gè)并行信道可以看做是無耦合的“管道”，各個(gè)管道使用同樣的頻帶與時(shí)間，信道利用率大大增強(qiáng)。由于非零特征值的數(shù)目等于矩陣H的秩，因此對(duì)于Nr×Nt矩陣，秩的最大值為mmax=min(Nr,Nt)

(7-24)這樣，在理想情況下信道容量C隨min(Nr，Nt)線性增長。對(duì)于t時(shí)刻發(fā)送矢量X［t］，在接收端可以采用最大似然算法進(jìn)行最佳接收，即在確知信道信息的情況下，接收端計(jì)算已接收序列和理想無噪聲可能接收序列之間的歐氏距離，即

(7-25)使式(7-25)最小的可能接收序列為判決輸出。7.2.2空時(shí)編碼

MIMO信道展現(xiàn)了采用多天線在衰落信道情況下提高系統(tǒng)性能的潛力，為了能夠達(dá)到分集的效果或接近MIMO衰落信道下潛在的信道容量，當(dāng)前采用的主流技術(shù)是空時(shí)編碼技術(shù)?？諘r(shí)編碼技術(shù)是一種用于多發(fā)射天線的編碼技術(shù)，這種編碼在多根發(fā)射天線和多個(gè)時(shí)間周期的發(fā)射信號(hào)之間形成空間域和時(shí)間域的相關(guān)性，從而使接收機(jī)克服MIMO信道衰落并減少誤碼，在不增加信道帶寬的情況下起到發(fā)射分集和功率增益的作用?？諘r(shí)碼通常有兩個(gè)大類。一類基于發(fā)射/接收分集，追求分集增益最大化(可靠性)，各個(gè)天線發(fā)射的是同一組信息的拷貝，這類空時(shí)碼有空時(shí)分組編碼STBC、空時(shí)格型編碼STTC、酉空時(shí)編碼USTC和差分空時(shí)編碼DSTBC等，根據(jù)是否需要信道信息，可以進(jìn)一步分為兩類，前兩種需要確切知道信道狀態(tài)CSI，后兩種編解碼時(shí)發(fā)射端和接收端都不需要知道信道狀態(tài)CSI。分集所獲得的性能改善采用分集增益(diversitygain)描述，它定義為在采用分集方式且系統(tǒng)性能不變的情況下，發(fā)射功率下降的程度。另外一類是基于空分復(fù)用，追求數(shù)據(jù)速率最大化(有效性)，各個(gè)天線發(fā)射的信息不相同，主要是分層空時(shí)編碼LSTC?？辗謴?fù)用所獲得的性能改善采用復(fù)用增益(spatialmulltiplexinggain)描述，它定義為在信噪比不變的情況下，系統(tǒng)容易增加的倍數(shù)。另外，好的空時(shí)偏碼還可以帶來編碼增益。在這里簡要

對(duì)STBC和LSTC進(jìn)行介紹。

1.空時(shí)分組編碼STBC

空時(shí)分組編碼的具體實(shí)施方法是將輸入數(shù)據(jù)每k個(gè)分為一組，分組空時(shí)編碼器通過傳輸矩陣將這k個(gè)符號(hào)編為Nt個(gè)長度為p的并行符號(hào)序列，這些序列通過Nt根天線在p個(gè)時(shí)間內(nèi)發(fā)送出去，每根天線發(fā)送p個(gè)符號(hào)。分組空時(shí)碼編碼器的傳輸矩陣X是Nt×p矩陣，其元素是k個(gè)調(diào)制符號(hào)s1，s2,…,sk及其共軛的線性組合，第i行元素表示第i根天線發(fā)送的序列，第j列元素表示第j時(shí)間上所有天線發(fā)送的符號(hào)。一般要求傳輸矩陣滿足正交原則，即傳輸矩陣各行是相互正交的，若令xi=(xi1，xi2，…,xip)是第i根發(fā)射天線發(fā)射的序列，則有：

(7-26)空時(shí)分組編碼較為簡單，可以將最大似然算法轉(zhuǎn)化為非常簡單的線性合并算法(在接收端進(jìn)行最大比合并)，但僅具有分集增益，無編碼增益。下面對(duì)最簡單的Alamouti空時(shí)分組編碼方案進(jìn)行分析。輸入信息首先分成兩個(gè)符號(hào)一組［s0，s1］。根據(jù)下面的傳輸矩陣進(jìn)行編碼：

(7-27)

經(jīng)過空時(shí)分組編碼后，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)。在第1周期內(nèi)，天線1發(fā)s0，天線2發(fā)s1；在第2周期內(nèi)，天線1發(fā)，天線2發(fā)(上標(biāo)*表示取復(fù)共軛)。編碼矩陣的每一列符號(hào)同時(shí)在不同天線上發(fā)送出去，在一個(gè)天線上發(fā)送出去的星座點(diǎn)符號(hào)與另外任意天線上發(fā)送出去的符號(hào)是正交的。在接收端采用一根天線進(jìn)行接收，以圖7-12所示的方式進(jìn)行接收，在兩個(gè)連續(xù)符號(hào)周期中接收的信號(hào)分別為r0=h0s0+h1s1+n0

(7-28)r1=-h0s*1+h1s*0+n1

(7-29)選擇可能的(

)，在無噪聲情況下兩個(gè)連續(xù)周期理想接收信號(hào)為

(7-30)

(7-31)圖7-12Alamouti空時(shí)分組編碼接收機(jī)示意圖

采用最大似然譯碼算法，尋找使下面的距離量度最小的(

)。

(7-32)通過推導(dǎo)可以得到：(7-33)(7-34)

這樣，最大似然譯碼算法就轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅：唵蔚暮喜?，而且這種2發(fā)1收的性能和1發(fā)2收的接收分集性能相當(dāng)，這樣的結(jié)論可以進(jìn)一步推廣。雖然這種空時(shí)碼的應(yīng)用非常簡單，但需要確知信道條件，這在應(yīng)用中會(huì)引起諸多問題。因此