MIMO天線(xiàn)3種技術(shù)及應用場(chǎng)景分析
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0 前言
多入多出(MIMO)系統指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線(xiàn)的通信系統。研究證明，MIMO技術(shù)非常適用于城市內復雜無(wú)線(xiàn)信號傳播環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統，在室內傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達到20～40 bit/s/Hz;而使用傳統無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在移動(dòng)蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz，在點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射頻信號多徑會(huì )引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIMO系統來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO技術(shù)作為提高數據傳輸速率的重要手段得到人們越來(lái)越多的關(guān)注，被認為是新一代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的革命。
1 MIMO系統的3種主要技術(shù)
當前，MIMO技術(shù)主要利用發(fā)射分集的空時(shí)編碼、空間復用和波束成型等3種多天線(xiàn)技術(shù)來(lái)提升無(wú)線(xiàn)傳輸速率及品質(zhì)。
1.1 發(fā)射分集的空時(shí)編碼
基于發(fā)射分集技術(shù)的空時(shí)編碼主要有2種，即空時(shí)分組碼(STBC)和空時(shí)格碼(STTC)。雖然空時(shí)編碼方案不能直接提高數據率，但是通過(guò)這些并行空間信道獨立、不相關(guān)地傳輸信息，從而使信號在接收端獲得分集增益，為數據實(shí)現高階調制創(chuàng )造條件。
1.1.1 空時(shí)分組碼(STBC)
STBC在發(fā)射端對數據流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，它通過(guò)在發(fā)射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益，空時(shí)分組碼是將同一信息經(jīng)過(guò)正交編碼后從多根天線(xiàn)發(fā)射出去。MIMO系統的原理如圖1所示，傳輸信息流s(k)經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流 ci(k)，i=1，...，N。這N個(gè)信息子流由N個(gè)天線(xiàn)發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線(xiàn)接收。多天線(xiàn)接收機利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開(kāi)并解碼這些數據子流，從而實(shí)現最佳的處理。特別是這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)射信號，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線(xiàn)間的通道響應獨立不相關(guān)，則多入多出系統可以創(chuàng )造多個(gè)并行空間信道。
STBC是1998年，Alamouti提出的一種非常簡(jiǎn)單的發(fā)射分集技術(shù)，由于其簡(jiǎn)單的結構和良好的性能，很快進(jìn)入了3GPP標準。STBC實(shí)質(zhì)上是將同一信息經(jīng)過(guò)正交編碼后從2個(gè)天線(xiàn)上發(fā)射出去，2路信號由于具有正交性，在接收端就能將2路獨立的信號區別出來(lái)，只需要做簡(jiǎn)單的線(xiàn)性合并就可以獲得分集增益。
但是，STBC的正交碼組的構建還存在一定的問(wèn)題。對于實(shí)數信號星座(PAM星座)，它才可以構造編碼速率為1的空時(shí)編碼算法。但是，對于一個(gè)普通的復數信號星座，例如MQAM(如16QAM)或MPSK(如8PSK)，當發(fā)射天線(xiàn)陣子數目大于2時(shí)，是否存在編碼速率為1的碼組還有待更深入的研究。目前對于發(fā)射天線(xiàn)陣子數目等于3、4以及大于4的系統，如果采用復數信號星座，那么最大的空時(shí)編碼速率只能達到3/4和1/2?？梢?jiàn)，對于采用高階調制的高速率多天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)通信系統，如果直接采用空時(shí)分組編碼算法，不可能充分地利用系統的有效性。因此，尋找更好的空時(shí)分組碼目前已成為一個(gè)研究方向;另外，如何在頻率選擇性信道、時(shí)間選擇性信道中充分利用空時(shí)分組碼的優(yōu)勢也是一個(gè)研究課題?？傊?，當前STBC還是基于發(fā)射天線(xiàn)陣子數目等于2的發(fā)射分集技術(shù)。
1.1.2 空時(shí)格碼(STTC)
STTC是從空時(shí)延遲分集發(fā)展來(lái)的，而空時(shí)延遲分集可以看作是空時(shí)格碼的一個(gè)特例?？諘r(shí)格碼具有卷積碼的特征，它將編碼、調制、發(fā)射分集結合在一起，可以同時(shí)獲得分集增益和編碼增益，并且使得系統的性能有很大的提升?？諘r(shí)格碼利用某種網(wǎng)格圖，將同一信息通過(guò)多個(gè)天線(xiàn)發(fā)射出去，在接收端采用基于歐式距離的Viterbi譯碼器譯碼。因此譯碼復雜度較高，而且譯碼復雜度將隨著(zhù)傳輸速率的增加呈指數增加。
早期的分集模型采用延時(shí)發(fā)送分集，這種分集的框圖如圖2所示。編碼后的數據首先被重復一次，然后通過(guò)一個(gè)串/并轉換器，分成2個(gè)完全相同的數據流。其中一數據流經(jīng)過(guò)調制后直接從一個(gè)天線(xiàn)發(fā)送出去;另一數據流經(jīng)過(guò)一個(gè)符號的延時(shí)后，再經(jīng)調制從另一個(gè)天線(xiàn)發(fā)送出去。由于數據在2個(gè)天線(xiàn)上同時(shí)發(fā)送，不同的只是一路數據被延時(shí)了一個(gè)符號，所以盡管采用了延時(shí)編碼，卻不會(huì )存在頻帶效率的損失。在接收端，通過(guò)Viterbi譯碼可以進(jìn)行解調。這種延時(shí)的分集就是空時(shí)碼的雛形?？梢宰C明當前所講的STTC可以由延時(shí)發(fā)送分集實(shí)現。
延時(shí)分集技術(shù)的產(chǎn)生使人們很自然地想到，能否存在一種更好的編碼方式，不需要重復編碼，就能在保持同樣的數據速率、不犧牲帶寬的情況下獲得更好的性能，這樣就產(chǎn)生了一種新的編碼方式，這就是集空分、時(shí)分、調制于一體的空時(shí)編碼。
在空時(shí)編碼中，STTC能夠在不增加傳送寬帶和不改變信息速率的情況下，獲得最大的編碼增益和分集增益。
1.2 空間復用
系統將數據分割成多份，分別在發(fā)射端的多個(gè)天線(xiàn)上發(fā)射出去，接收端接收到多個(gè)數據的混合信號后，利用不同空間信道間獨立的衰落特性，區分出這些并行的數據流。從而達到在相同的頻率資源內獲取更高數據速率的目的?？臻g復用與發(fā)射分集技術(shù)不同，它在不同天線(xiàn)上發(fā)射不同信息。
空間復用技術(shù)是在發(fā)射端發(fā)射相互獨立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，此時(shí)的空口信道容量隨著(zhù)天線(xiàn)數量的增加而線(xiàn)性增大，從而能夠顯著(zhù)提高系統的傳輸速率(見(jiàn)圖3)。
使用空間復用技術(shù)時(shí)，接收端必須進(jìn)行復雜的解碼處理。業(yè)界主要的解碼算法有迫零算法(ZF)、MMSE算法、最大似然解碼算法(MLD)和貝爾實(shí)驗室分層空時(shí)處理算法(BLAST)。
迫零算法，MMSE算法是線(xiàn)性算法，比較容易實(shí)現，但對信道的信噪比要求較高，性能不佳;MLD算法具有很好的譯碼性能，但它的解碼復雜度隨著(zhù)發(fā)射天線(xiàn)數量的增加呈指數增加，因此，當發(fā)射天線(xiàn)的數量很大時(shí)，這種算法是不實(shí)用的;綜合前述算法優(yōu)點(diǎn)的BLAST算法是性能和復雜度最優(yōu)的。
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