MIMO天線(xiàn)各種技術(shù)分析

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)。