MIMO技術(shù)及其應(yīng)用研究.doc

MIMO技術(shù)及其應(yīng)用研究MIMO技術(shù)及其應(yīng)用研究信息工程系 郭振民 摘 要: 在無(wú)線通信中，受多徑干擾的影響，傳輸信號(hào)有較大的失真。采用空間分集技術(shù)，通過(guò)使用多個(gè)發(fā)送天線和多個(gè)接收天線，可以在一定程度上保證傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量。技術(shù)研究和分析表明無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)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(dòng)通信系統(tǒng)中最富有競(jìng)爭(zhēng)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(fù)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(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)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(guò)多個(gè)天線實(shí)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(shì),被視為下一代移動(dòng)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(qiáng)等突出的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是第四代移動(dòng)通信的支柱技術(shù)。如何使二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有效整合，便成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。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(shí)用方案，這些研究對(duì)促進(jìn)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展有一定指導(dǎo)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(gè)天線和多個(gè)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(guò)空時(shí)編碼形成M個(gè)信息子流 EMBED Equation.DSMT4 ，這M個(gè)子流由M個(gè)天線發(fā)送出去，經(jīng)空間信道后由N個(gè)接收天線接收，多天線接收機(jī)能夠利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理技術(shù)分開(kāi)并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳處理。MIMO是在收發(fā)兩端使用多個(gè)天線，每個(gè)收發(fā)天線之間對(duì)應(yīng)一個(gè)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(shí)刻t,信道矩陣為： EMBED Equation.DSMT4 (2.1)其中H的元素是任意一對(duì)收發(fā)天線之間的增益。M個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一個(gè)頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過(guò)這些并行的信道獨(dú)立傳輸信息，必然可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)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(wú)關(guān)；接收端的噪聲用 EMBED Equation.DSMT4 矩陣n表示，其元素是獨(dú)立的零均值高斯復(fù)數(shù)變量，各個(gè)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(shí)，發(fā)射信號(hào)是M維統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，能量相同，高斯分布的復(fù)向量。發(fā)射功率平均分配到每一個(gè)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(shí)可以獲得到容量的近似表達(dá)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(shí)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(wú)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(yīng)用方案前面分析指出MIMO技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)頻率選擇性衰落無(wú)能為力，而OFDM技術(shù)卻有很強(qiáng)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(shí)用方案，如圖3.1所示。 1 12L2 N 圖3.1 MIMO+OFDM實(shí)現(xiàn)框圖在本方案中，數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行兩次串并轉(zhuǎn)換，首先將數(shù)據(jù)分成N個(gè)并行數(shù)據(jù)流，將這N個(gè)數(shù)據(jù)流中的第n（n EMBED Equation.DSMT4 1，N）個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行第二次串并轉(zhuǎn)換成 L個(gè)并行數(shù)據(jù)流，分別對(duì)應(yīng)L個(gè)子載波，接著對(duì)這L個(gè)并行數(shù)據(jù)流進(jìn)行IFFT變換，再將信號(hào)從頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，然后從第 n（n EMBED Equation.DSMT4 1，N）個(gè)天線上發(fā)送出去。這樣共有NL個(gè)M-QAM(正交振幅調(diào)制)符號(hào)被發(fā)送。整個(gè)MIMO系統(tǒng)假定具有N個(gè)發(fā)送天線，M個(gè)接收天線。在接收端第m（m EMBED Equation.DSMT4 1，M）個(gè)天線接收到的第l（l EMBED Equation.DSMT4 1，L）個(gè)子載波的接收信號(hào)為： EMBED Equation.DSMT4 （l=1，.,L） （3.1）其中 EMBED Equation.DSMT4 是第l個(gè)子載波頻率上的從第n個(gè)發(fā)送天線到第m個(gè)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(gè)子載 波頻率上的從第n個(gè)發(fā)送天線發(fā)送的符號(hào)， EMBED Equation.DSMT4 是第l個(gè)子載波頻率上的從第m個(gè)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(gè)子載波頻率上的N個(gè)符號(hào)可以通過(guò)V-BLAST算法進(jìn)行解譯碼，重復(fù)進(jìn)行L 次以后，NL個(gè)M-QAM符號(hào)就可以被恢復(fù)出來(lái)。MIMO OFDM系統(tǒng)，通過(guò)在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用天線陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分集，以提高信號(hào)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(shí)間、頻率結(jié)合空間三種分集方法，使無(wú)線系統(tǒng)對(duì)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(chǔ)。 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(gè)發(fā)送天線和 EMBED Equation.DSMT4 個(gè)接收天線，在發(fā)送端和接收端設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)受到衰落。輸入的比特流經(jīng)串/并變換分為多個(gè)分支，每個(gè)分支都進(jìn)行OFDM處理，即經(jīng)過(guò)編碼、交織、正交振幅調(diào)制映射、插入導(dǎo)頻信號(hào)、離散逆傅立葉變換、加循環(huán)前綴等過(guò)程，再經(jīng)天線發(fā)送到無(wú)線信道中。接收端進(jìn)行與發(fā)送端相反的信號(hào)處理過(guò)程，例如：去除循環(huán)前綴、離散傅立葉變換、解碼等，同時(shí)進(jìn)行信道估計(jì)、定時(shí)、同步、MIMO檢測(cè)等，以恢復(fù)出原來(lái)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(lǐng)域都具有顯著的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮著巨大的作用，如今將二者結(jié)合并應(yīng)用到下一代無(wú)線移動(dòng)通信局域網(wǎng)中，正在成為無(wú)線通信的一個(gè)研究熱點(diǎn)。二者的結(jié)合勢(shì)必使無(wú)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(jìn)移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)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(xiàn)1趙亞男，張祿林，吳偉陵.MIMO技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.電視技術(shù)J,2005,(1):7112任立剛，宋梅，郗松楠，等.移動(dòng)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(shí)編碼空時(shí)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(hào)映 射（M-QAM）信 源(二進(jìn)制)發(fā)送端Nt加CPIDFT插