MIMO技術(shù)及其應用研究.doc

MIMO技術(shù)及其應用研究MIMO技術(shù)及其應用研究信息工程系 郭振民 摘 要: 在無線通信中，受多徑干擾的影響，傳輸信號有較大的失真。采用空間分集技術(shù)，通過使用多個發(fā)送天線和多個接收天線，可以在一定程度上保證傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量。技術(shù)研究和分析表明無線移動通信領域智能天線的重大突破就是MIMO技術(shù)，它能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是下一代移動通信系統(tǒng)中最富有競爭力的技術(shù)之一。文中給出了多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)的概念，分析了MIMO系統(tǒng)的容量和MIMO-OFDM系統(tǒng)的組合結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞: 空間分集，多輸入多輸出技術(shù)，正交頻分復用技術(shù) 1 引言多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢,被視為下一代移動通信的核心技術(shù)1。OFDM作為多載波調(diào)制技術(shù)具有頻譜利用率高、抗選擇性衰落能力強等突出的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景，被認為是第四代移動通信的支柱技術(shù)。如何使二者優(yōu)勢互補，有效整合，便成為國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注的熱點。本文介紹了MIMO技術(shù)的概念，分析了系統(tǒng)容量，給出了MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)有效整合的實用方案，這些研究對促進移動通信技術(shù)的發(fā)展有一定指導意義。2 MIMO系統(tǒng)原理MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多個天線和多個通道，如圖2.1所示。 C1(k)R1(k) Sj(k) CM(k) RN(k)圖2.1 MIMO系統(tǒng)原理傳輸信息流S（k）經(jīng)過空時編碼形成M個信息子流 EMBED Equation.DSMT4 ，這M個子流由M個天線發(fā)送出去，經(jīng)空間信道后由N個接收天線接收，多天線接收機能夠利用先進的空時編碼處理技術(shù)分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳處理。MIMO是在收發(fā)兩端使用多個天線，每個收發(fā)天線之間對應一個MIMO子信道，在收發(fā)天線之間形成 EMBED Equation.DSMT4 信道矩陣H，在某一時刻t,信道矩陣為： EMBED Equation.DSMT4 (2.1)其中H的元素是任意一對收發(fā)天線之間的增益。M個子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一個頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射天線間的通道響應獨立，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行的信道獨立傳輸信息，必然可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。對于信道矩陣參數(shù)確定的MIMO信道，假定發(fā)射端總的發(fā)射功率為P，與發(fā)送天線的數(shù)量M無關(guān)；接收端的噪聲用 EMBED Equation.DSMT4 矩陣n表示，其元素是獨立的零均值高斯復數(shù)變量，各個接收天線的噪聲功率均為 EMBED Equation.DSMT4 ；為接地端平均信噪比。此時，發(fā)射信號是M維統(tǒng)計獨立，能量相同，高斯分布的復向量。發(fā)射功率平均分配到每一個天線上，則容量公式4為： EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 (2.2)固定N，令M增大，使得 EMBED Equation.DSMT4 ，這時可以獲得到容量的近似表達式： EMBED Equation.3 (2.3)det代表行列式，IN代表M維單位矩陣，HH表示H的共扼轉(zhuǎn)置。從上式可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)的增加而線性增大。即可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高,充分展現(xiàn)了MIMO技術(shù)的巨大優(yōu)越性。3 MIMO技術(shù)的應用方案前面分析指出MIMO技術(shù)優(yōu)勢明顯，但對頻率選擇性衰落無能為力，而OFDM技術(shù)卻有很強的抗頻率選擇性衰落的能力。因此將兩種技術(shù)有效整合，便成為最佳的實用方案，如圖3.1所示。 1 12L2 N 圖3.1 MIMO+OFDM實現(xiàn)框圖在本方案中，數(shù)據(jù)應進行兩次串并轉(zhuǎn)換，首先將數(shù)據(jù)分成N個并行數(shù)據(jù)流，將這N個數(shù)據(jù)流中的第n（n EMBED Equation.DSMT4 1，N）個數(shù)據(jù)流進行第二次串并轉(zhuǎn)換成 L個并行數(shù)據(jù)流，分別對應L個子載波，接著對這L個并行數(shù)據(jù)流進行IFFT變換，再將信號從頻域轉(zhuǎn)換到時域，然后從第 n（n EMBED Equation.DSMT4 1，N）個天線上發(fā)送出去。這樣共有NL個M-QAM(正交振幅調(diào)制)符號被發(fā)送。整個MIMO系統(tǒng)假定具有N個發(fā)送天線，M個接收天線。在接收端第m（m EMBED Equation.DSMT4 1，M）個天線接收到的第l（l EMBED Equation.DSMT4 1，L）個子載波的接收信號為： EMBED Equation.DSMT4 （l=1，.,L） （3.1）其中 EMBED Equation.DSMT4 是第l個子載波頻率上的從第n個發(fā)送天線到第m個接收天線之間的信道矩陣，并且假定該信道矩陣在接收端是已知的， EMBED Equation.DSMT4 是第l個子載 波頻率上的從第n個發(fā)送天線發(fā)送的符號， EMBED Equation.DSMT4 是第l個子載波頻率上的從第m個接收天線接收到的高斯白噪聲。這樣在接收端接收到的第l個子載波頻率上的N個符號可以通過V-BLAST算法進行解譯碼，重復進行L 次以后，NL個M-QAM符號就可以被恢復出來。MIMO OFDM系統(tǒng)，通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用天線陣列來實現(xiàn)空間分集，以提高信號質(zhì)量，是MIMO與OFDM相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新技術(shù)。它采用了時間、頻率結(jié)合空間三種分集方法，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。深刻揭示了MIMO-OFDM系統(tǒng)的技術(shù)原理與理論基礎。 圖3.2、3.3分別為MIMO OFDM系統(tǒng)的發(fā)射與接收方案原理框圖。從圖中可以看出，MIMO+OFDM系統(tǒng)有 EMBED Equation.DSMT4 個發(fā)送天線和 EMBED Equation.DSMT4 個接收天線，在發(fā)送端和接收端設置多重天線，可以提供空間分集效應，克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當?shù)亩喔碧炀€提供多個空間信道，不會全部同時受到衰落。輸入的比特流經(jīng)串/并變換分為多個分支，每個分支都進行OFDM處理，即經(jīng)過編碼、交織、正交振幅調(diào)制映射、插入導頻信號、離散逆傅立葉變換、加循環(huán)前綴等過程，再經(jīng)天線發(fā)送到無線信道中。接收端進行與發(fā)送端相反的信號處理過程，例如：去除循環(huán)前綴、離散傅立葉變換、解碼等，同時進行信道估計、定時、同步、MIMO檢測等，以恢復出原來的比特流。圖3.2 MIMO-OFDM系統(tǒng)的發(fā)送方案4 結(jié)論MIMO和OFDM技術(shù)在各自的領域都具有顯著的優(yōu)勢，發(fā)揮著巨大的作用，如今將二者結(jié)合并應用到下一代無線移動通信局域網(wǎng)中，正在成為無線通信的一個研究熱點。二者的結(jié)合勢必使無線局域網(wǎng)向著更高的速率、更大的容量、更好的性能的方向發(fā)展，必將促進移動通信技術(shù)實現(xiàn)新的跨越。 SHAPE * MERGEFORMAT 圖3.3 MIMO-OFDM系統(tǒng)的接收方案參考文獻1趙亞男，張祿林，吳偉陵.MIMO技術(shù)的發(fā)展與應用.電視技術(shù)J,2005,(1):7112任立剛，宋梅，郗松楠，等.移動通信中MIMO技術(shù)J.現(xiàn)代電信技術(shù)，2004，（1）：42453梁紅玉，吳偉陵.MIMO系統(tǒng)的信道容量.技術(shù)交流J，2003，（2）：60614G.J.Foschini&M.J.Gans. On Limits of Wireless Communications in a Fading Environment when Using Multiple Antennas. Wireless Personal CommunicationJ, 1998 (6):311334 PAGE PAGE 1 信宿空時編碼空時編碼信源Nt1S1(NT-1)S1(0)OFDM調(diào) 制OFDM調(diào) 制OFDM調(diào) 制S/P1LS/P1LS/P1LS/P1N信號映 射（M-QAM）信 源(二進制)發(fā)送端Nt加CPIDFT插