MIMO無(wú)線(xiàn)技術(shù)研究

相關(guān)專(zhuān)題: 無(wú)線(xiàn) 中國(guó)聯(lián)通

摘要 近來(lái),MIMO無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)以其在容量和性能上的巨大潛能吸引了廣大研究人員的關(guān)注。本文對(duì)MIMO無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)這一熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行概述。首先介紹MIMO無(wú)線(xiàn)鏈接巨大潛能的背景、原理以及實(shí)現(xiàn)MIMO優(yōu)點(diǎn)的各種技術(shù)和算法。然后介紹了MIMO在3G中應(yīng)用的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 MIMO空間復(fù)用 空時(shí)編碼

  近來(lái),多入多出(MIMO)數(shù)字通信作為現(xiàn)代通信一個(gè)最重要的技術(shù)突破吸引了廣大研究人員的關(guān)注。在解決未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)密集型業(yè)務(wù)容量瓶頸的新近技術(shù)中,MIMO技術(shù)顯得非常突出。其實(shí),在發(fā)明MIMO技術(shù)后的幾年后,這項(xiàng)技術(shù)就有向標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品大規(guī)模滲透的勢(shì)頭,例如寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、3G等等。

  本文對(duì)MIMO這一新的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)進(jìn)行概述。介紹了MIMO無(wú)線(xiàn)鏈接巨大潛能的背景、原理、實(shí)現(xiàn)MIMO優(yōu)點(diǎn)的各種技術(shù)和算法及MIMO在3G中應(yīng)用的問(wèn)題。

1 MIM0系統(tǒng)的原理

  MIMO的定義非常簡(jiǎn)單。移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)指的是利用多根發(fā)射天線(xiàn)和多根接收天線(xiàn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)募夹g(shù),使用這種技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)即為MIMO系統(tǒng)。當(dāng)天線(xiàn)相互之間有足夠遠(yuǎn)的距離,各根發(fā)射天線(xiàn)到各根接收天線(xiàn)之間的信號(hào)傳輸可以看成是相互獨(dú)立的,所采用的多根天線(xiàn)可以稱(chēng)為分立式多天線(xiàn),如應(yīng)用于空間分集的多根天線(xiàn)就是這種情況。如果各根天線(xiàn)相互之間很近,各根發(fā)射天線(xiàn)到各根接收天線(xiàn)之間的信號(hào)傳輸可以看成是相關(guān)的,所采用的多根天線(xiàn)稱(chēng)為集中式多天線(xiàn),如智能天線(xiàn)中的天線(xiàn)陣列。在一般的智能天線(xiàn)技術(shù)中,只有發(fā)信機(jī)或者收信機(jī)配備多根天線(xiàn),較為典型的是基站配備多根天線(xiàn),因?yàn)橐话阏J(rèn)為在基站比移動(dòng)電話(huà)更能承擔(dān)額外的成本和空間。傳統(tǒng)上,智能天線(xiàn)的智能性體現(xiàn)在權(quán)重選擇算法而不是編碼上,基于分立式天線(xiàn)空時(shí)碼的研究正在改變這個(gè)觀(guān)點(diǎn)。本文討論的MIMO技術(shù)特指基于分立式天線(xiàn)的MIMO技術(shù)。

  MIMO的思想是把收發(fā)端天線(xiàn)的信號(hào)進(jìn)行合并,以改進(jìn)每個(gè)MIMO用戶(hù)的通信質(zhì)量和速率。運(yùn)營(yíng)商可以利用這個(gè)優(yōu)點(diǎn)極大地提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量以增加收入。傳統(tǒng)上認(rèn)為多徑傳播是無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)囊粋(gè)缺陷,而MIMO系統(tǒng)的主要特征就是把多徑傳播轉(zhuǎn)變成為對(duì)用戶(hù)有利的因素。MIMO有效地利用隨機(jī)衰落來(lái)提高傳輸速率。因此,MIMO成功的主要原因是,MIMO可以極大地提高無(wú)線(xiàn)通信性能,不需要以頻譜為代價(jià)。MIMO技術(shù)還促使了其它很多領(lǐng)域的進(jìn)步,如信道建模、信息論和編碼、信號(hào)處理、天線(xiàn)設(shè)計(jì)、固定網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)的多天線(xiàn)蜂窩設(shè)計(jì)。

  1.1 MIMO系統(tǒng)的具體模型

  數(shù)字信源以二進(jìn)制數(shù)據(jù)流形式進(jìn)入一個(gè)發(fā)射模塊,這個(gè)模塊包括錯(cuò)誤控制編碼功能和映射復(fù)調(diào)制符號(hào)功能。映射功能產(chǎn)生幾個(gè)單獨(dú)的符號(hào)流,這幾個(gè)符號(hào)流之間可以是獨(dú)立的、部分冗余的或完全冗余。每個(gè)符號(hào)流映射到其中一根發(fā)射天線(xiàn)上。映射可能會(huì)包括天線(xiàn)元的線(xiàn)性空間加權(quán)或者線(xiàn)性天線(xiàn)空時(shí)預(yù)編碼。經(jīng)過(guò)上頻轉(zhuǎn)換、濾波和放大,信號(hào)發(fā)射到無(wú)線(xiàn)信道。接收端使用多根天線(xiàn)捕獲信號(hào)。為了恢復(fù)消息,進(jìn)行解調(diào)和去映射操作。在選擇編碼和天線(xiàn)映射算法時(shí),智能層次、復(fù)雜度和先驗(yàn)信道信息認(rèn)識(shí)有很大的不同,這依賴(lài)于具體應(yīng)用。

  1.2 實(shí)現(xiàn)MIMO優(yōu)點(diǎn)的各種技術(shù)和算法

  貝爾實(shí)驗(yàn)室最早提出了基于空間復(fù)用的分層空時(shí)碼技術(shù),它可在中高信噪比下實(shí)現(xiàn)最高達(dá)30b/s/Hz的傳輸效率。1998年Tarokh提出了空時(shí)格碼技術(shù),它把編碼調(diào)制與分集綜合考慮,提出了構(gòu)造準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道下滿(mǎn)分集增益和高編碼增益的系列準(zhǔn)則。為了減少接收端復(fù)雜度,Tarokh等又提出了空時(shí)分組碼技術(shù)?諘r(shí)分組碼技術(shù)在發(fā)送端對(duì)幾個(gè)連續(xù)發(fā)送符號(hào)作簡(jiǎn)單的正交編碼,接收端只要采用線(xiàn)性合并就可以獲得最大似然譯碼,實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)送分集增益。以上提到的幾種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2 3G中的MIMO應(yīng)用

  目前,對(duì)MIMO技術(shù)的研究工作已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)成熟的階段。3G中MIMO方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)開(kāi)始,主要是在國(guó)際電信聯(lián)盟和3GPP的論壇上進(jìn)行。對(duì)MIMO進(jìn)行補(bǔ)充的許多技術(shù)用來(lái)改進(jìn)吞吐量、性能和頻譜效率,正引起研究人員的高度重視,特別是那些對(duì)3G增強(qiáng)的技術(shù),例如高速數(shù)字分組接入(HSDPA)、自適應(yīng)調(diào)制與編碼、混合ARQ等等。但至今為止,MIMO在蜂窩系統(tǒng)中還很少商業(yè)實(shí)現(xiàn)。除了多人單出的純發(fā)分集方案,目前3G還沒(méi)有采用任何的MIMO方案。下面討論影響MIMO系統(tǒng)大規(guī)模商業(yè)化的兩個(gè)主要因素。

  第一個(gè)因素是天線(xiàn)問(wèn)題。在MIMO的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,天線(xiàn)的數(shù)目和間距是很重要的系統(tǒng)參數(shù)。具有多天線(xiàn)的基站更多地關(guān)注環(huán)境,因此,天線(xiàn)元的數(shù)目被限制在恰當(dāng)?shù)臄?shù)目,比如說(shuō)四根天線(xiàn)。而對(duì)于終端而言,1/2波長(zhǎng)間距足夠保證非相關(guān)衰落?梢栽O(shè)想終端天線(xiàn)的最大數(shù)為四根,當(dāng)然,兩根天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的可能性更大。間距參數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)MIMO的高頻譜效率尤其重要。然而,對(duì)于手機(jī)而言,安裝兩根天線(xiàn)可能是個(gè)問(wèn)題。這是因?yàn)槟壳笆謾C(jī)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)是把天線(xiàn)放入蓋子里以改進(jìn)外表的吸引力,這就使得間隔的要求近乎苛刻。

  第二個(gè)因素是接收機(jī)復(fù)雜度的問(wèn)題。首先,接收機(jī)中對(duì)MIMO信道的估計(jì)使得復(fù)雜度增加。另外,復(fù)雜度還來(lái)自特別的RF、硬件和接收機(jī)高級(jí)分離算法。MIMO接收機(jī)應(yīng)該是雙模的,以支持非MIMO模式。在MIMO模式時(shí),接收機(jī)的每根天線(xiàn)使用一個(gè)RF鏈路,另外還要有附加的基帶操作,即用來(lái)消除空間干擾的空時(shí)合并器和檢測(cè)器。這些附加需求使得四發(fā)四收MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜度大約是單天線(xiàn)接收機(jī)的兩倍。由于MIMO接收機(jī)環(huán)境的時(shí)延擴(kuò)展帶來(lái)的不同信道條件可能還需要均衡和干擾消除的處理,可能會(huì)進(jìn)一步加大接收機(jī)的復(fù)雜度。

3 結(jié)束語(yǔ)

  本文回顧了用于未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的MIMO技術(shù)的原理及其在3G中的應(yīng)用。信息論表明MIMO的實(shí)現(xiàn)可以帶來(lái)巨大的容量和性能增益。在實(shí)際中是完全還是部分獲得容量和性能增益依賴(lài)于收發(fā)信號(hào)處理算法的合理設(shè)計(jì)。另外,要讓MIMO算法成功用于商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)依賴(lài)于在速率最大化和分集方案之間很好的折衷。還有,MIMO的成功還需要對(duì)更多更具體的MIMO信道進(jìn)行良好的建模。
作者:葉卓映 耿國(guó)桐 吳偉陵   來(lái)源:中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)站

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