現(xiàn)代通信技術(shù)概論結(jié)課論文-多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng).doc

現(xiàn)代通信技術(shù)概論結(jié)課論文2015年春季學(xué)期 題 目： 多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng) 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 聯(lián)系方式： 成 績(jī)： 摘要多輸入多輸出系統(tǒng)摘要隨著信息技術(shù)在生活中的越來越深入廣泛的應(yīng)用，無線數(shù)字通信在現(xiàn)今的地位變得越來越重要。面對(duì)越來越高的通信速度和質(zhì)量要求，傳統(tǒng)的無線數(shù)字系統(tǒng)顯然無法勝任。在人們廣泛的研究時(shí)間、頻率、碼元等資源的利用效率同時(shí)，多輸入多輸出技術(shù)理論（MIMO：Multiple-Input Multiple-Output.也稱為：多天線技術(shù)）為移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)帶來了新的增長(zhǎng)點(diǎn)。本文將著重論述MIMO技術(shù)的一些基本模式以及一些技術(shù)要求。關(guān)鍵詞：MIMO，多天線，信號(hào)檢測(cè)，欠定義MIMO系統(tǒng)，多用戶MIMO系統(tǒng) 目錄目 錄1概述12 MIMO信號(hào)檢測(cè)12.1 MIMO系統(tǒng)基礎(chǔ)12.2經(jīng)典MIMO信號(hào)檢測(cè)32.2.1最大似然MIMO信號(hào)檢測(cè)32.2.2線性MIMO信號(hào)檢測(cè)53 兩種經(jīng)典的MIMO系統(tǒng)簡(jiǎn)介63.1欠定義MIMO系統(tǒng)63.2多用戶MIMO系統(tǒng)7參考文獻(xiàn)8現(xiàn)代通信技術(shù)概論結(jié)課論文1：概述從1978年貝爾實(shí)驗(yàn)室在芝加哥成功試驗(yàn)了第一個(gè)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，即高級(jí)移動(dòng)電話業(yè)務(wù)（Advanced Mobile Phone Service，AMPS）開始，移動(dòng)通信進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代。截至2012年6月，手機(jī)網(wǎng)用戶數(shù)量首次超過了計(jì)算機(jī)上網(wǎng)用戶數(shù)量1。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，此類服務(wù)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速率以及傳輸質(zhì)量的要求也就越來越高。根據(jù)香農(nóng)理論，其對(duì)應(yīng)的無線頻譜資源的需求也相應(yīng)增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致適用于無線通信的頻譜資源變得日益緊張，成為制約無線電通信發(fā)展的主要瓶頸。如何在復(fù)雜的環(huán)境和有限的帶寬下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高速率的無線信號(hào)傳輸一直是移動(dòng)通信技術(shù)所需解決的關(guān)鍵問題。理論分析和工程實(shí)踐已經(jīng)證明了在發(fā)送端和接收端采用天線列陣或多天線技術(shù)可以在不增加帶寬和發(fā)送功率的前提下大幅提高系統(tǒng)的信道容量以及頻率利用率。多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)因其具有隨天線數(shù)量呈線性增長(zhǎng)的理論信道容量，被公認(rèn)為是現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。本文介紹了MIMO系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)方法以及發(fā)送端和接收端經(jīng)典的組合。2.MIMO信號(hào)檢測(cè)2.1MIMO系統(tǒng)基礎(chǔ)現(xiàn)代無線數(shù)字通信對(duì)于傳輸速率的要求日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的單輸入單輸出（Single-Input Single-Output，SISO）無線傳輸系統(tǒng)（即發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均配有單根天線的系統(tǒng)）已經(jīng)無法充分滿足相應(yīng)需求。經(jīng)典單工SISO系統(tǒng)模型如圖2-1所示。其相應(yīng)的接收信號(hào)可以表示為： （2.1）其中，h、s、n分別表示信道增益、發(fā)射信號(hào)和噪聲。于是我們可以得出相應(yīng)的信道容量（bit/s/Hz）為 C=E(log(1+)log(1+) (2.2)其中，且不等號(hào)來自詹森不等式2。由式（2.2）可以看出，信道容量隨著信噪比（即）呈指數(shù)增長(zhǎng)。為了獲得足夠高的傳輸速率，我們需要持續(xù)提高信噪比或者利用充分大的帶寬。在無線通信中，由于路徑損耗的存在，充分大的接收信噪比并不是能夠輕松獲得的。因此我們需要充分大的傳輸帶寬來支持足夠高的傳輸速率。然而，受到無線電頻譜資源稀疏性的影響，單純利用大寬帶來獲取高速率并不現(xiàn)實(shí)。從另一個(gè)角度來考慮此問題，我們可以在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上都裝配多根收發(fā)天線來提高頻譜效率，相應(yīng)的系統(tǒng)就被稱為多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）。經(jīng)典的單工MIMO系統(tǒng)傳輸模型如圖2-2所示。圖2-1 經(jīng)典單工SISO系統(tǒng)模型圖2-2 經(jīng)典的單工MIMO系統(tǒng)傳輸模型以2收2發(fā)系統(tǒng)為例，由于每根天線均能接收到來自不同發(fā)射天線的信號(hào)，2根接收天線上的接收信號(hào)可以表示為： (2.3)其中，、分別表示從第根發(fā)射天線到第根接收天線的信道增益、第根發(fā)射天線的發(fā)射信號(hào)以及第根接收天線上的加性噪聲。定義,這可利用矩陣乘法表示接收信號(hào)的矢量： （2.4）這里我們有信道矩陣，發(fā)射信號(hào)矢量，噪聲矢量。相應(yīng)的系統(tǒng)模型已經(jīng)能夠較為直觀的擴(kuò)展到配有M根發(fā)射天線和N根接收天線的任意MIMO系統(tǒng)。作為一種信道模型，加性高斯白噪聲（AWGN）信道通常被用于MIMO系統(tǒng)的理論分析和仿真。在AWGN信道中，接收噪聲矢量被假設(shè)為零均值的球?qū)ΨQ復(fù)高斯（CSCG）隨機(jī)矢量，其均值，協(xié)方差矩陣為R，即3。相關(guān)研究表明，式（2.4）所描述的MIMO系統(tǒng)的信道容量隨著發(fā)射天線和接收天線數(shù)中的較小呈線性增長(zhǎng)，其條件為信道增益為互相獨(dú)立的零均值CSCG隨機(jī)變量。因此，對(duì)于給定的帶寬資源，如果系統(tǒng)裝配更多天線，便能在不增加傳輸功率的前提下獲取更高的傳輸速率。為了獲取這一信道容量增益，我們需要在MIMO系統(tǒng)中使用高效的信號(hào)調(diào)制方式。脈沖幅度調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation， PAM）和正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation， QAM）是MIMO系統(tǒng)信號(hào)傳輸中比較常用的調(diào)制方式。2.2. 經(jīng)典MIMO信號(hào)檢測(cè)2.2.1. 最大似然MIMO信號(hào)檢測(cè)矩形QAM星座圖可以被視為具有相同水平和垂直間距的格基4。在數(shù)字無線通信中，可以通過編碼調(diào)制與解調(diào)譯碼完成二進(jìn)制信息的發(fā)送與接收，當(dāng)忽略符號(hào)能量時(shí)，星座圖和對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制格雷碼（Gray Code）如圖2-3所示。具體來說，當(dāng)采用4-QAM調(diào)制方式時(shí)，其星座圖符號(hào)集合以及對(duì)應(yīng)的格雷碼見表2-15。圖2-3 星座圖和格雷碼表2-1 4QAM調(diào)制方式下的符號(hào)集合和格雷碼序號(hào)符號(hào)集合格雷碼1-1+i002-1-i0131+i1041-i11由式（2.4）可知，MIMO信號(hào)的檢測(cè)即在給定接收信號(hào)向量和信道矩陣的前提下，對(duì)未知的發(fā)送信號(hào)向量進(jìn)行估計(jì)。經(jīng)管我們無法獲取噪聲向量的精確信息，但是發(fā)送信號(hào)向量的所有可能情況是能夠根據(jù)調(diào)制方式預(yù)先獲取的。對(duì)于具有M根發(fā)射天線的MIMO系統(tǒng)，若發(fā)射符號(hào)取自星座圖符號(hào)集合，則所有可能的發(fā)送信號(hào)向量的數(shù)量為，這里表示集合中的符號(hào)元素個(gè)數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，可能發(fā)送信號(hào)向量的數(shù)量隨著M呈指數(shù)增長(zhǎng)。綜上可見，最大似然MIMO信號(hào)檢測(cè)可以通過對(duì)所有可能的發(fā)送信號(hào)進(jìn)行窮盡檢索，并計(jì)算相應(yīng)的似然函數(shù)值來完成。定義為在接收到信號(hào)時(shí)發(fā)送信號(hào)向量為的似然函數(shù)，則最大似然的發(fā)送信號(hào)向量可表述為 （2.5）由于完成最大似然檢測(cè)需要進(jìn)行窮盡檢索，且相應(yīng)所有可能的發(fā)送信號(hào)向量的數(shù)量為，因此相應(yīng)檢測(cè)算法的計(jì)算復(fù)雜度會(huì)隨著發(fā)射天線數(shù)量M呈指數(shù)增長(zhǎng)。2.2.2. 線性MIMO信號(hào)檢測(cè)為了降低檢測(cè)的復(fù)雜度，我們也可以考慮利用線性濾波方式完成檢測(cè)過程。在線性MIMO信號(hào)檢測(cè)中，接收信號(hào)通過一個(gè)線性濾波器完成濾波后，各個(gè)發(fā)送信號(hào)量可以進(jìn)行分別檢測(cè)。因此，線性濾波器的作用在于分離干擾信號(hào)。首先我們考慮迫零檢測(cè)6。迫零檢測(cè)線性濾波器定義為 （2.6）而相應(yīng)的迫零信號(hào)估計(jì)為 （2.7） 利用和，發(fā)送信號(hào)向量的硬判決可以通過符號(hào)級(jí)別的估計(jì)予以完成，具體過程如下。 利用式（2.7），我們有。令表示K維QAM星座圖符號(hào)合集，則中第個(gè)發(fā)送符號(hào)的硬判決表述為 （2.8） 發(fā)送信號(hào)向量的硬判決由給出。然而，由于當(dāng)信道矩陣近奇異矩陣時(shí)，噪聲即式（2.7）中的的效應(yīng)將被放大，等效噪聲被放大，所以迫零檢測(cè)的性能無法得到很好的保證。為了減弱在迫零檢測(cè)中等效噪聲被放大而帶來的影響，最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）檢測(cè)利用了噪聲的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)迫零檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)。MMSE濾波器基于最小化的均方誤差，即 （2.9） 其中，表示信號(hào)能量。相應(yīng)的發(fā)送信號(hào)向量的估計(jì)值表示為 （2.10）從而我們能夠計(jì)算出相應(yīng)的均方誤差為 （2.11）每個(gè)發(fā)射符號(hào)的均方估計(jì)誤差可以由的對(duì)角元素獲得。再利用式（2.8）中類似的方法，可得發(fā)送信號(hào)向量的MMSE硬判決。3.兩種經(jīng)典的MIMO系統(tǒng)簡(jiǎn)介3.1.欠定義MIMO系統(tǒng)我們將發(fā)射天線數(shù)M大于、等于、小于接收天線數(shù)N的MIMO系統(tǒng)的信道矩陣分別稱為胖陣、方陣和瘦陣。根據(jù)文獻(xiàn)7，MIMO信道容量近似為 （3.1）其中，代表SISO系統(tǒng)的信道容量。因此從信道容量的角度出發(fā)，方信道矩陣較優(yōu)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中,我們常見的蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基站的天線個(gè)數(shù)往往大于移動(dòng)終端天線個(gè)數(shù)，而且在下行鏈路中，由于接收端的復(fù)雜度有限，我們必須降低一些調(diào)制方式，并且引入胖陣（即MN），這個(gè)時(shí)候每個(gè)發(fā)射天線的頻譜效率將下降到 （3.2）對(duì)于這種欠定義的MIMO系統(tǒng)，目前有很多改進(jìn)技術(shù)能夠應(yīng)用于此。其中ML檢測(cè)8采用窮舉所有可能向量的策略，而列表檢測(cè)器首先創(chuàng)建一張候選向量的列表。再?gòu)闹羞x擇出一個(gè)最優(yōu)的候選向量。文獻(xiàn)914中介紹了一系列列表Chase檢測(cè)器。但Chase探測(cè)器不能實(shí)現(xiàn)完全接收分集階數(shù)，特別是用于欠定義的MIMO系統(tǒng)中。為了提高性能，文獻(xiàn)1519中研究了可用于欠定義系統(tǒng)的廣義球形譯碼（Generalized Sphere Decoding, GSD）方法。而文獻(xiàn)20中介紹了2種非最優(yōu)的分組檢測(cè)器，文獻(xiàn)21中研究了一種基于幾何方法的欠定義的MIMO系統(tǒng)檢測(cè)器。為了更有效的降低復(fù)雜程度，文獻(xiàn)22中提出了帶列重排的GSD檢測(cè)器，即樹搜索解碼器列重排（Tree Search Decoding-Column Reordering, TSD-CR）。3.2.多用戶MIMO系統(tǒng)在應(yīng)用了MIMO技術(shù)的多用戶無線電通信系統(tǒng)中，由于用戶所處的地理位置以及信道狀態(tài)均不同，在用戶接入過程中則有可能獲得一種額外的分集增益，即多用戶分集增益。因此，在多用戶MIMO系統(tǒng)中，選擇合適的用戶在合適的信道條件下接入系統(tǒng)對(duì)于增大系統(tǒng)吞吐量具有非常重要的意義，其直接影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量以及接入用戶所能獲得的服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)23研究了多用戶接入帶來的多用戶分集增益；文獻(xiàn)24將多用戶接入擴(kuò)展到了MIMO系統(tǒng)中；文獻(xiàn)25分析了MIMO系統(tǒng)的用戶接入策略和系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系。針對(duì)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)的時(shí)變信道，可以通過在一個(gè)時(shí)間單元內(nèi)選擇一個(gè)或多個(gè)信道增益最大的用戶接入來提高系統(tǒng)的吞吐量。如圖3-1所示。我們可以在A時(shí)刻選擇用戶1，而在B時(shí)刻選擇用戶2接入，以提升系統(tǒng)性能。圖3-1 不同時(shí)刻信道增益的變化參考文獻(xiàn)：1：數(shù)據(jù)來源：賽迪網(wǎng).2：劉勇. 科教文匯. 江蘇.江蘇電大張家港學(xué)院. 2009.3：劉丹譜. 加性高斯白噪聲信道下的最佳接收機(jī). 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院無線通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室（WCSN）. 2009.4：NJUer. 正交調(diào)制讀書報(bào)告. /link?url=MGfnCXDg1QrVT7FeD9T7sAUMjJmiCLPJSxN1hvKmqetG0sB_Ktewy8dn801m1smZKwVT1SzUmgvU8qkL6cN57afM0Tkr5BJLEdrbvQovz375：陳啟美 李勃等編. 數(shù)據(jù)通信原理. 南京大學(xué)出版社.6：關(guān)雪梅 陳純鍇著. 電信科學(xué). 北京.人民郵電出版社. 2010.08.7：TSE D, 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