移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)
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?。停桑停鲜侵冈诎l(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，而傳統的通信系統是單進(jìn)單出（ＳＩＳＯ）系統，基于發(fā)射分集和接收分集的多進(jìn)單出（ＭＩＳＯ）方式和單進(jìn)多出（ＳＩＭＯ）方式也是ＭＩＭＯ的一部分。ＭＩＭＯ并不是一門(mén)新技術(shù)，早在１９０８年馬可尼就提出用ＭＩＭＯ方式來(lái)抵抗無(wú)線(xiàn)信道的衰落。貝爾實(shí)驗室的Ｅ．Ｔｅｌａｔａｒ和Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ分別獨立地在他們各自的論文［１］和［２］中論證了理論上的ＭＩＭＯ信道的香農容量。他們指出，使用Ｎ×Ｍ信道矩陣描述Ｍ副發(fā)射天線(xiàn)和Ｎ副接收天線(xiàn)系統的無(wú)線(xiàn)信道，如果Ｎ×Ｍ信道矩陣的元素間具有理想的獨立衰落，系統容量將會(huì )隨發(fā)射方和接收方天線(xiàn)數中最小一方的天線(xiàn)數ｍｉｎＮＭ的增加而線(xiàn)性增加。這可以在ＳＩＳＯ基礎上成倍地增加系統容量。同時(shí)，Ｆｏｓｃｈｉｎｉ還開(kāi)發(fā)了用于ＭＩＭＯ系統的實(shí)際發(fā)射／接收算法，這就是著(zhù)名的貝爾實(shí)驗室分層空時(shí)碼（ＢＬＡＳＴ）算法[２]。后來(lái)另外一個(gè)突破性的方案，即空時(shí)編碼的思想由ＡＴ＆Ｔ實(shí)驗室提出[３]，它可以提高ＭＩＳＯ和ＭＩＭＯ系統的分集增益。這些信號處理方案可以提高ＭＩＭＯ系統的容量，因而吸引了大量的研究開(kāi)發(fā)人員和工程技術(shù)人員進(jìn)行更深入的研究。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/357044.htm一、 MIMO技術(shù)
?。停桑停霞夹g(shù)實(shí)質(zhì)上是為系統提供空間復用增益和空間分集增益，目前針對ＭＩＭＯ信道所進(jìn)行的研究也主要圍繞這兩個(gè)方面。空間復用技術(shù)可以大大提高信道容量，而空間分集則可以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。
?。保?空間復用技術(shù)
空間復用就是在接收端和發(fā)射端使用多副天線(xiàn)？充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個(gè)數據通道（ＭＩＭＯ子信道）發(fā)射信號，從而使得容量隨著(zhù)天線(xiàn)數量的增加而線(xiàn)性增加。這種信道容量的增加不需要占用額外的帶寬，也不需要消耗額外的發(fā)射功率，因此是提高信道和系統容量一種非常有效的手段。
空間復用的實(shí)現如圖１所示，首先將需要傳送的信號經(jīng)過(guò)串并轉換轉換成幾個(gè)平行的信號流？并且在同一頻帶上使用各自的天線(xiàn)同時(shí)傳送，由于多徑傳播？每一副發(fā)射天線(xiàn)針對接收端產(chǎn)生一個(gè)不同的空間信號，接收方利用信號不同來(lái)區分各自的數據流。實(shí)現空間復用必須要求發(fā)射和接收天線(xiàn)之間的間距大于相關(guān)距離，這樣才能保證收發(fā)端各個(gè)子信道是獨立衰落的不相關(guān)信道。
實(shí)現空間復用的接收端的解碼算法有迫零算法（ＺＦ）、最小均方誤差算法（ＭＭＳＥ）、垂直－貝爾實(shí)驗室分層空時(shí)碼（Ｖ－ＢＬＡＳＴ）算法和最大似然算法（ＭＬ）。迫零算法是一種線(xiàn)性接收方法，可以很好地分離同頻信號，但是需要有較高的信噪比才能保持較好的性能。另一種線(xiàn)性接收算法是最小均方誤碼算法，該算法可以使由于噪聲和同頻信號相互干擾造成的錯誤最小，盡管它降低了信號分離的質(zhì)量，但具有較好的抗噪性能。最大似然算法接收性能最好，但是計算復雜性高。
?。拢蹋粒樱允且环N可以實(shí)現空間復用增益的算法。１９９６年Ｆｏｓｃｈｉｎｉ提出對角－貝爾實(shí)驗室分層空時(shí)碼（Ｄ－ＢＬＡＳＴ）算法，但是由于算法的復雜度太大，很難實(shí)際應用。１９９８年由Ｆｏｓｃｈｉｎｉ和Ｇ．Ｇｏｌｄｅｎ提出Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法不是對所有的發(fā)送信號一起解碼，而是首先對最強的信號解碼，然后在接收到的信號中減去這個(gè)最強的信號，再對剩余信號中的最強信號解碼，再減去這個(gè)信號，這樣依次進(jìn)行，直到所有的信號都被譯出。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法是算法復雜度和譯碼性能綜合考慮下一種最優(yōu)的譯碼算法。
?。玻?發(fā)送分集和接收分集
空間分集技術(shù)可以分為接收分集和發(fā)射分集兩類(lèi)，通?？梢哉J為ＳＩＭＯ系統是接收分集，ＭＩＳＯ系統是發(fā)射分集。無(wú)線(xiàn)信號在復雜的無(wú)線(xiàn)信道中傳播產(chǎn)生Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落，在不同空間位置上其衰落特性不同。如果兩個(gè)位置間距大于天線(xiàn)之間的相關(guān)距離（通常相隔十個(gè)信號波長(cháng)以上），就認為兩處的信號完全不相關(guān)，這樣就可以實(shí)現信號空間分集接收?？臻g分集一般用兩副或者多副大于相關(guān)距離的天線(xiàn)同時(shí)接收信號，然后在基帶處理中將多路信號合并。在ＳＩＭＯ系統中的接收分集技術(shù)可以分成最大比率合并（ＭＲＣ）、等增益合并（ＥＧＣ）和選擇分集合并（ＳＤＣ）三種類(lèi)型。在最大比率合并的接收中，每一副天線(xiàn)的輸出用一個(gè)復數加權，然后相加；等增益合并接收使各副天線(xiàn)的輸出信號保持同相，然后相加。選擇分集合并接收中，簡(jiǎn)單地選擇眾多信號中的一個(gè)質(zhì)量最好的天線(xiàn)的信號，并使用該信號作為接收到的信號。由于最大比率合并之后信號的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。
發(fā)射分集就是將分集的負擔從終端轉移到基站端，然而采用發(fā)射分集的主要問(wèn)題是在發(fā)射端不知道衰落信道的信道狀態(tài)信息（ＣＳＩ）。因此，必須采用信道編碼以保證各信道具有良好的性能，具體是采用空時(shí)編碼（參見(jiàn)文獻［３？５］）?？諘r(shí)碼（ＳＴＣ）是信道編碼設計和多發(fā)射天線(xiàn)的結合，由ＡＴ＆Ｔ 實(shí)驗室的Ｔａｒｏｋｈ等人提出?？諘r(shí)碼在將數據分成ｎ個(gè)數據子流在Ｎ副天線(xiàn)上同時(shí)發(fā)射時(shí)，建立了空間分離信號（空域）和時(shí)間分離信號（時(shí)域）之間的關(guān)系，而且在采用最大比率接收合并（ＭＲＲＣ）技術(shù)接收時(shí)，這些空時(shí)碼方案可以獲得相同的分集增益。除了分集增益以外，好的空時(shí)碼還可以獲得一定的編碼增益。
基于分集發(fā)射的空時(shí)碼可以分為空時(shí)格碼（ＳＴＴＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｔｒｅｌｌｉｓ Ｃｏｄｅ）和空時(shí)塊碼（ＳＴＢＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｂｌｏｃｋ Ｃｏｄｅ）?？諘r(shí)格碼有較好的性能，但其譯碼復雜度與傳輸速率成指數關(guān)系，實(shí)現難度較大。Ｓ．Ｍ．Ａｌａｍｏｕｔｉ在文獻３中論證了通過(guò)一定的信道編碼可以將１×２的接收分集增益，轉換成２×１的發(fā)射分集增益而不會(huì )損失分集增益，這可以認為是空時(shí)塊碼的原始模型。在這個(gè)基礎上Ｔａｒｏｋｈ提出了空時(shí)塊碼，正交設計理論的空時(shí)塊碼性能稍遜于空時(shí)格碼，但其譯碼復雜度很低，還可能得到最大的分集發(fā)射增益。經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼的信號經(jīng)過(guò)多條相關(guān)性較小的無(wú)線(xiàn)信道到達接收端，接收端通常需要知道各無(wú)線(xiàn)信道參數，即信道估計，可以使用基于導頻訓練序列進(jìn)行信道估計，也可以使用盲估計。
二、MIMO技術(shù)的應用
目前，朗訊、松下、金橋和ＮＴＴ ＤｏＣｏＭｏ等公司都在積極倡導ＭＩＭＯ天線(xiàn)系統技術(shù)的應用。在３ＧＰＰ的高速下行分組接入方案（ＨＳＰＤＡ）中提出了使用ＭＩＭＯ天線(xiàn)系統，這種系統在發(fā)送和接收方都有多副天線(xiàn)，可以認為是雙天線(xiàn)分集的進(jìn)一步擴展。另外，在３ＧＰＰ的ＷＣＤＭＡ協(xié)議中，涉及到了六種分集發(fā)射方法：空時(shí)分集發(fā)射（ＳＴＴＤ：Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）、時(shí)間切換分集發(fā)射（ＴＳＴＤ：Ｔｉｍｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）、兩種閉環(huán)分集發(fā)射模式、軟切換中的宏分集，以及站點(diǎn)選擇分集發(fā)射（ＳＳＤＴ：Ｓｉｔｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｔｒａｎｓｍｉｔ）。宏分集是指在ＣＤＭＡ系統的軟切換過(guò)程中，可以通過(guò)兩個(gè)甚至三個(gè)基站同時(shí)向一個(gè)移動(dòng)臺發(fā)射同樣的信號，這是宏分集發(fā)射；同樣，接收時(shí)通過(guò)相鄰的基站進(jìn)行分集接收（多個(gè)基站接收），即進(jìn)行宏分集接收。
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