MIMO多天线技术研究 - 图文

第二章无线ＭＩＭＯ通信技术概述９本相叠加会产生破坏性干扰，使信号相互抵消，起伏衰落，链路性能不稳定，通信不可靠。为对付移动通信中的多径衰落与提高链路的稳定性，人们提出了天线分集技术【８】。而将天线分集与时间分集联合应用，还能获得空间维与时间维的分集效益。随着无线互联网多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性有待提升，结合天线发射分集与接收分集技术是无线通信发展的必然趋势，即从传统单天线系统向多天线系统（ＭＩＭＯ系统）演进，以寻求突破Ｓｈａｎｎｏｎ容量限制的途径。２．２．２智能天线向多天线的发展在常规术语中，智能天线是指仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术，它能够在不利的传播条件（如存在多径衰落与干扰）下提供更可靠的通信链路。智能天线的核心思想在于联合空间维度（自然扩展到时间维度）与天线分集。如果估计出各接收天线单元对期望发射信号的响应，就可以根据各响应选择加权最优合并它们，从而最大化平均合并信号电平而最小化噪声与干扰。进一步，在多径衰落中，信号完全丢失的概率随着独立衰落的天线单元数目呈指数减小。这样，在发送端或在接收端采用智能天线技术（分别称作ＭＩＳＯ与ＳＩＭ０）的无线链路容量随着采用的天线单元数目的呈对数增长。对于Ｎ×ｌ的ＭＩＳＯ系统，发端包含Ｎ副天线，在发送端无信道状态信息情况下，各发射天线支路平均分配发射功率，其信道平均容量为口?４】：一ＮＣ＝ｌ０９２０＋导∑蚶ｈｊ）ＢｉＶｓ／Ｈｚ』’ｉ＝１（２—２）式中，ｈｉ是第ｆ副发射天线到接收天线的子信道复增益，ｐ是接收天线的信噪比。对于１ＸＭ的Ｓ１ＭＯ系统，其信道平均容量为：ⅣＣ＝ｌｏｇ：（１＋ｐ∑盯）ＢｉＶｓ／Ｈｚｉ＝１（２—３）式中，ｈｊ是发射天线到第ｆ副接收天线的子信道复增益。以上表明，信道容量随发射或接收天线数目呈对数增长，分集系统或智能天线系统利用了空间维度提高信道容量。在高强度的多径分量比较丰富的环境下，自适应天线系统抗衰落的能力是相当有限的，这是因为智能天线将无线信道的多径传播视为消极因素，从而加以抑制而不是利用。由于在多径传播环境中，增大阵元间距与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获与分离多径，那么结合天线发射分集与接收分集技术，充分利用而不是抑制多径传播，进一步开发空域资源，提高无线传输性能，成为无线通１０ＭＩＭ０多天线技术研究信发展的必然趋势，即从智能天线向多天线系统（ＭＩＭＯ系统）演进【４】ｏ２．２．３ＭＩＭＯ无线通信技术“阳ＭＩＭＯ无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于天线分集与智能天线技术，具有二者的优越性，属于广义的智能天线的范畴。ＭＩＭＯ系统在发送端与收收端均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技术，利用无线信道的多径传播，开发空间资源，建立空间并行传输通道，在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信的质量与数据速率，首次突破Ｓｈａｎｎｏｎ容量壁垒，为无线通信勾画出了美好的前景，堪称现代通信领域的重要技术突破。实际上，ＭＩＭＯ无线通信技术己非传统智能天线技术，其优势己非常规智能天线所及。智能天线采用加权选择算法驱动波束指向，通过将能量聚集到期望方向而提高平均信噪比，抑制而不是利用多径传播。Ｆｏｓｃｈｉｎｉ在１９９６年的开创性文章里首次指出【１８ｌ：如果用于描述具有Ｎ副发射天线与Ｍ副接收天线的无线链路的Ｍ×Ｎ信道矩阵的元素是完全独立衰落的，则该系统的容量随最小天线数目线性增长，而不是采用智能天线下的对数增长，即：厂厂＼．、］Ｃ＝ｌ０９２ｌＬｄｅｔＩＩⅣ＋导册”｜｜Ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ（２－４）“／Ｊ当天线数目较多时，平均容量为：Ｃｚｍｉｎ（Ｍ，忉?ｌ０９２（１＋Ｐ）Ｂｉｔ／ｓ／Ｉ－Ｉｚ（２－５）式中，Ｃ是Ｓｈａｎｎｏｎ容量，ｐ是各接收天线的信噪比，上标Ｈ表示复共轭转置，Ｈ是Ｍ×Ｎ信道矩阵。上式表明，理论上，对于理想的随机信道，如果天线的空间和成本不受限制，ＭＩＭＯ系统就能提供无限大的容量。与ＭＩＳＯ与ＳＩＭＯ系统相比，ＭＩＭＯ系统的容量提升几乎难以置信，它是空间维度充分结合时间维度的结果，即采用空时编码的数据流利用矩阵信道而不是智能天线系统中的向量信道传输数据。ＭＩＭＯ技术利用了无线信道多径传播的固有特性：在无线通信中，如果在发送端与接收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对发一收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各对有效的发一收天线间的无线传输信道趋于独立，进一步，这些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相互正交。具有Ｎ副发射天线与Ｍ副接收天线的ＭＩＭＯ系统，其系统框图见下图。发射数据流ｓ、被分离为Ｎ路子数据流，在调制与射频前端处理后以相同的频率分别从Ｎ副天线同时发射出去。经无线信道的散射传播，这些并行子流从不同路径到达接收机，由Ｍ副接收天线接收，接收机第二章无线ＭＩＭＯ通信技术概述采用先进的信号处理技术对各接收信号联合处理，可恢复出原始数据流。信号处理发送天线接收天线图２．１ＭＩＭＯ无线信道系统框图相比之下，一些智能天线系统（如基于干扰抑制的波束形成）在直视（ＬＯＳ）或近似直视传播条件下的性能更优，而基于分集的智能天线在非直视环境下虽具有较好的性能，但是它对多径传播的机制在于抑制而不是利用多径。ＭＩＭＯ无线通信系统借助多径传播建立空间并行传输通道，采用各种空时编码方案实现发射分集与接收分集，获得相对常规无线通信系统明显的复用增益与分集增益，其有效的并行数据通道显著提升信道容量。这使ＭＩＭＯ技术成为不断涌现出的无线通信技术中最具有潜力的技术，开辟了实现无线通信系统高速传输的重要途径。对于Ｍ１ＭＯ无线通信技术，有以下几点需要说明：首先，发送端并行的Ｎ路子数据流同时发送，各发射信号占用同一频带，因而并未占用额外带宽，但提高了有效带宽：可以保持发端总功率恒定，实现最优功率分配，而不增大系统的发射功率。ＭＩＭＯ无线通信技术将多径信道、发射端与接收端视为一个整体进行优化处理，这是一种近于最优的空域与时域联合的分集和干扰对消处理。其次，与时间域、频率域以及码域类似，空间域也是一种资源维度。天线分集技术是对空域资源的初步利用，智能天线技术可以比较充分地利用空域资源，而结合两者的ＭＩＭＯ技术对空域资源的利用达到了前所未有的高度。与传统智能天线的波束形成构建空间向量信道相比，ＭＩＭＯ系统构建了并行空间矩阵信道，更充分地利用了空间资源。并且空域已经被拓展到空间与极化域，不只是基本的空间域（即方向特征）。ＭＩＭＯ系统通过离散的天线单元对空域采样，其空间方向特征很可能不完全正交，但可利用极化域对其加以补偿。ＭＩＭ０多天线技术研究再次，在丰富散射的环境中，智能天线的效果并非最佳，因为达波信号数目远大于天线阵元数目。ＭＩＭＯ天线对系统性能的改善远大于常规智能天线。ＭＩＭＯ天线的重要特点在于它能够将常规视为不利因素的多径传播转化为提高数据率的途径。与智能天线相比，ＭＩＭＯ系统的天线单元尽可能在空间上分开，以获得不同接收天线信号间的低相关性。因此，ＭＩＭＯ天线只有在丰富散射的环境中才能最有效地工作，在直视传播环境下，其性能就会下降。另外，ＭＩＭＯ系统需要更复杂的硬件设备与信号处理技术才能得到预期的空间带宽，与常规采用更大带宽提高数据率的通信系统相比，其网络与移动终端的软件与硬件复杂度都提高了。２．２．４ＭＩＭ０系统中的分集和复用前面我们从信息论的角度分析了ＭＩＭＯ系统的容量，但是仅仅给出了多天线无线系统在无限复杂度的算法与编码下的理论容量上界，并没有给出实际传输系统可获得的性能。因此，尤为重要的是，开发误码性能与复杂度折衷的传输方案以获取ＭＩＭＯ系统的实际增益。由于ＭＩＭＯ系统中的多天线能够同时提供分集增益与复用增益…９１，故现有的传输方案可分为两大类：第一类是分集最大化方案，即空时编码方案（ＳＴＣ）１２０，２１捌，因为ＭＩＭＯ系统的多天线可实现天线分集。天线分集可以对抗信道衰落，提高无线链路的可靠性，并且联合应用多维天线分集与时间分集，可以获得更好的分集效果。ＭＩＭＯ系统结合天线分集与时间分集，还可同时获得空间与时间维的分集效益，即通过空时编码而增加传输的空时冗余信息，从而提高无线传输的稳健性。Ｔａｒｏｋｈ等首次提出空时编码的概念阱】，它集发射分集、编码与调制于一体。在延时发射分集的基础上，Ｔａｒｏｋｈ提出了空时格形码（ＳＴＴＣ），它具有卷积码的特征，并将格形编码、调制与发射分集结合在一起，在不增加带宽的情况下，可以同时获得满分集与高编码增益。它利用某种格形图，将同一信息从多副天线发射出去，在接收端采用基于欧式距离的Ｖｉｔｅｒｂｉ译码，其性能较好，抗衰落能力强，但其复杂度随发射天线数目呈指数增长。空时编码的盛行实际是从空时分组码（ＳＴＢＣ）的发现开始的，因为ＳＴＢＣ的构造比较容易，其发射信号两两正交，收端可采用线性最大似然检测，其译码算法简单。第二类为数据率最大化方案，即复用方案，因为ＭＩＭＯ系统的多天线也可实现空间复用。无线信道的多径传播增加了ＭＩＭＯ系统可用的自由度，若各对收发天线路径的衰落独立，则空间矩阵信道创建了多个并行的空间传输通道，利用并行通道传输独立的信息流，从而提高系统的数据率。著名的ＢＬＡＳＴ结构【ｌ引，就是将待发射的信息流分解为多路并行子流，对各路独立地进行编码、调制与映射