3G4G應用中MIMO技術(shù)的實(shí)現挑戰與解決方案
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表1：適用于3G標準的3G MIMO技術(shù)的演進(jìn)歷程。
表2是3GPP LTE標準TR 25.913的概述，它顯示了在固定64QAM調制深度時(shí)，單路輸入單路輸出(SISO)和MIMO天線(xiàn)配置中的性能。這些數字表示在理想的無(wú)線(xiàn)條件下(具有信令開(kāi)銷(xiāo)補償)，頻分雙工(FDD)空中接口的物理限制。
表2：3G MIMO應用(64QAM)的數據速率性能。
在無(wú)線(xiàn)通信系統中，在發(fā)射機和/或接收機上使用多個(gè)天線(xiàn)開(kāi)辟了一個(gè)新的維度空間。如果能夠正確利用這一技術(shù)，可以極大地提高性能，它現在被廣泛地稱(chēng)為MIMO系統。這里的輸入和輸出指的是無(wú)線(xiàn)信道。發(fā)射機的多個(gè)天線(xiàn)意味著(zhù)有多個(gè)信號輸入到無(wú)線(xiàn)信道中，接收機的多個(gè)天線(xiàn)是指有多個(gè)信號從無(wú)線(xiàn)信道輸出。圖1是對SISO、SIMO、MISO和MIMO系統的簡(jiǎn)單演示。通過(guò)本圖，您可以很容易理解對于發(fā)射機天線(xiàn)(T)和接收機天線(xiàn)(R)的MIMO系統來(lái)說(shuō)，如果每個(gè)發(fā)射接收天線(xiàn)對之間的信道獨立進(jìn)行衰落，則信道分集階數為T(mén)×R。
圖1：SISO、SIMO、MISO和MIMO系統之間的關(guān)系。
不同的MIMO應用
在一個(gè)密集的多徑散射環(huán)境中，MIMO系統可充分利用通過(guò)空間分隔的天線(xiàn)獲得空間分集。MIMO系統能夠通過(guò)許多不同方法來(lái)實(shí)施，以獲得抵抗信號衰落的分集增益或者容量增益。通常，MIMO技術(shù)具有三種類(lèi)型。第一類(lèi)旨在通過(guò)最大化空間分集提高功率效率。此類(lèi)技術(shù)包括延遲分集、空時(shí)分組編碼(STBC)和空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC)。第二類(lèi)利用豐富的散射環(huán)境中的空間復用，通過(guò)天線(xiàn)傳輸相互獨立的數據信號，以提高數據速率，但通常不能夠達到完整的空間分集。第三類(lèi)利用的是發(fā)射機的信道信息，又稱(chēng)為波束賦形。它利用信道信息建立波束賦形矩陣，作為發(fā)射機和接收機的前置濾波器和后置濾波器的，以實(shí)現容量增益。
空間分集
無(wú)線(xiàn)信道中信號功率的波動(dòng)非?？焖?。信號功率顯著(zhù)下降時(shí)，信道處于衰落狀態(tài)。分集用于在無(wú)線(xiàn)信道中抵抗衰落。接收天線(xiàn)分集可在SIMO通道中使用。接收天線(xiàn)接收同一信號獨立的衰落狀態(tài)，并與這些信號相結合，使得合成信號的幅度變化小于任一天線(xiàn)的信號。通常使用獨立衰落信道數來(lái)描述分集的特征，這一數目也稱(chēng)為分集階數，并且如果同一發(fā)射天線(xiàn)針對所有接收天線(xiàn)的信道具有獨立的衰落特性，則分集與SIMO信道中接收天線(xiàn)的數量相等。發(fā)射分集適用于MISO信道并且已經(jīng)成為備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。提取分集需要適當的設計發(fā)射信號。在接收機上使用合適的組合方案，以獲得分集增益。如果所有發(fā)射天線(xiàn)到同一接收天線(xiàn)的信道具有獨立的衰落特性，則該信道的分集與發(fā)射天線(xiàn)的數量相等。
圖2：(a) Alamouti空時(shí)編碼發(fā)射機結構；(b) 空間復用發(fā)射機結構；(c) 波束賦形發(fā)射機結構。
圖2給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)射機分集方案實(shí)例，也稱(chēng)為Alamouti空時(shí)編碼。在指定的符碼周期，兩個(gè)天線(xiàn)同時(shí)發(fā)出兩個(gè)信號。在符碼周期t1，分別從天線(xiàn)0和天線(xiàn)1發(fā)送信號s0和s1，在下一個(gè)符碼周期t2內，天線(xiàn)0發(fā)送信號-s1*，天線(xiàn)1發(fā)送信號s0*，其中()*是復共軛運算。這一序列如圖2所示。編碼是在空時(shí)編碼中完成的，也可在空頻編碼中完成?？墒褂脙蓚€(gè)相鄰的載波(空頻編碼)來(lái)替代兩個(gè)相鄰的符碼周期。使用MIMO信道的分集需要將上述發(fā)射和接收分集相結合。如果每個(gè)發(fā)射接收天線(xiàn)對之間的信道獨立衰落，則分集順序與發(fā)射和接收天線(xiàn)的數量相等。
空間復用
空間復用可以為相同帶寬的信號提供線(xiàn)性增長(cháng)的傳輸速率，而且不會(huì )造成額外的功率損耗。
圖2(a)給出了含有兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的簡(jiǎn)單的空間復用系統，這一概念可擴展到更普遍的MIMO系統中。發(fā)射的比特流被去復用到兩個(gè)具有一半速率的子比特流中，由每個(gè)發(fā)射天線(xiàn)同時(shí)進(jìn)行調制和發(fā)射。例如在圖2(a)中，在符碼周期t1內，天線(xiàn)0發(fā)射符號s0，從天線(xiàn)1發(fā)射符號s1。在符碼周期t2內，天線(xiàn)0發(fā)射符號s2，天線(xiàn)1發(fā)射符號s3。因此，發(fā)射速率是SISO系統的兩倍。在最佳的信道條件下，接收機端接收到的信號的空間特性,可以被很好的分離。接收機根據信道信息可以對兩個(gè)同信道信號進(jìn)行區別和提取。進(jìn)行解調之后，子比特流能夠相互結合產(chǎn)生原始比特流。所以，空間復用所能提高的傳輸速率與發(fā)射接收天線(xiàn)對的數量成正比?？臻g復用還可用于多用戶(hù)格式，也就是空分多址或SDMA。假設兩個(gè)用戶(hù)發(fā)射獨立的信號，這兩個(gè)信號均到達一個(gè)配有兩個(gè)天線(xiàn)的基站。該基站可以分離這兩個(gè)信號，以支持兩個(gè)用戶(hù)同時(shí)使用信道。這使容量能夠根據基站的天線(xiàn)數量和用戶(hù)數量成比例的增加。
波束賦形
在空間分集和空間復用中，通常認為發(fā)射機不了解信道信息。當發(fā)射機具備信道信息時(shí)，可改善系統性能。信道信息可以是完整的也可以是部分的。完整的信道信息意味著(zhù)發(fā)射機已知信道矩陣。部分信息可能指的是瞬時(shí)信道的某些參數(例如矩陣信道的條件數)或統計特性(例如發(fā)射或接收的相關(guān)特性)。圖2(b)顯示了使用信道信息的預編碼框架。發(fā)射信號(S0，S1)與預編碼相乘，這可以解釋為波束賦形。經(jīng)過(guò)預編碼之后，兩個(gè)分離的數據流可從兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)同時(shí)發(fā)送，作為空間復用，但是矩陣編碼器將根據信道信息發(fā)生變化。假設發(fā)射機已經(jīng)知道發(fā)射相關(guān)矩陣，則可以使用相關(guān)矩陣的特征矩陣建立預編碼矩陣，以?xún)?yōu)化遍歷容量。將2×2預編碼矩陣表示為W，則符碼周期t1內的發(fā)射符碼為：
同樣，可以使用預編碼矩陣表示發(fā)射符碼×2和×3。在這個(gè)預編碼方案中，傳輸速率與發(fā)射接收天線(xiàn)對的數量成正比。
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