MIMO-UWB綜述

1、MIMO-UWB綜述MIMO技術(shù)簡介MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系統(tǒng)，該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。 MIMO技術(shù)可以簡單的認(rèn)為多進(jìn)多出（MIMO: Multiple Input Multiple Output)技術(shù)，是在上個世紀(jì)末美國

2、的貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的多天線通信系統(tǒng) ，在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道。 因此我們今天看到的MIMO產(chǎn)品多數(shù)都不只一根天線?？梢钥闯?，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用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)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實(shí)驗(yàn)室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較

3、大，對于實(shí)時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF算法簡單容易實(shí)現(xiàn)，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實(shí)際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術(shù)得出的。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個研究熱點(diǎn)就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼?？諘r碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。 MIMO無線通信技術(shù)的概念是在任何一個無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個無線MIMO系統(tǒng)。MIMO無線通信技術(shù)采用空時處理技術(shù)進(jìn)行信號處理，在多徑環(huán)境下，無線MIMO系統(tǒng)可以極大地提高頻譜利用率，增加

4、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。MIMO技術(shù)非常適用于室內(nèi)環(huán)境下的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)使用。采用MIMO技術(shù)的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到2040bps/Hz;而使用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動蜂窩中的頻譜效率僅為15bps/Hz，在點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有1012bps/Hz。可以看出，信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。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)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高，這也是多進(jìn)多出的最初原理?？臻g復(fù)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.UWB技術(shù)簡介近年來,從10 100 m 的短距離無線數(shù)據(jù)業(yè)物呈

5、現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?特別是隨著無線個域網(wǎng)(WPAN) 的升溫,這種短距離數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速膨脹?，F(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)WPAN 的主要技術(shù),如藍(lán)牙(Bluetooth)、Home RF 等,不是速率低就是成本高或者功耗大,無法滿足這些日益增長的短距離數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。而超寬帶(UWB) 無線通信以它高速率、高性能、低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)成為未來最富有競爭力的技術(shù)之一。 UWB系統(tǒng)一般模型UWB 是指系統(tǒng)帶寬(10dB帶寬)與系統(tǒng)中心頻率之比大于20 %或者系統(tǒng)帶寬大于500 MHz 的通信系統(tǒng)1 。這種新穎的無線技術(shù)與傳統(tǒng)的無線技術(shù)有著本質(zhì)的不同。它不是去尋找可能存在的新頻譜資源,而是利用頻譜重疊技術(shù)去充分分享目前

6、正在使用的頻譜資源。UWB 技術(shù)在雷達(dá)和軍事中的應(yīng)用研究已有數(shù)十年的歷史,但在商業(yè)通信中的應(yīng)用研究則剛剛開始。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC) 于2002 年2 月14日通過了一項(xiàng)認(rèn)可UWB 用于民用用途的最終規(guī)定,將3. 1 10. 6 GHz 頻段向商業(yè)UWB 通信開放;IEEE802 委員會已將UWB 作為WPAN的基礎(chǔ)技術(shù)來研究討論。2001 年4 月我國發(fā)布的“十五”863 計劃中把UWB 無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)作為有關(guān)通信技術(shù)主體研究項(xiàng)目。與常規(guī)無線技術(shù)相比,UWB 具有抗衰落、抗干擾、容量大、速率高、功率低等突出優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是無線通信領(lǐng)域具有革命性的技術(shù)。多徑衰落是無線通

7、信的一大障礙,傳統(tǒng)的技術(shù)容易受到建筑物內(nèi)部及周圍多徑的干擾,使得無線+傳輸特性變差。UWB 由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率,不同路徑的分辨率可降到納秒量級,因此對信道多徑衰落不敏感,特別適合使用在室內(nèi)等多徑密集的場合。UWB 非常窄的波形使得它有可能從信道的多個反射中被獨(dú)立地分辨出來,從而使得多徑衰落大大減小。實(shí)驗(yàn)表明對常規(guī)無線信號多徑衰落深達(dá)1030 dB 的多徑環(huán)境,對UWB 信號的衰落不超過5 dB2 ,具有優(yōu)良的抗多徑衰落性能。UWB 工作頻帶寬、攜帶信息量大,具有極高的數(shù)據(jù)傳輸能力。UWB 低功率特性使得它的空間效率很高。如果利用Ad Hoc 進(jìn)行組網(wǎng),可以進(jìn)一

8、步提高UWB 系統(tǒng)的空間容量。例如,利用多跳路由器,可以減小UWB 發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率和覆蓋區(qū)域。也就是說在一個給定區(qū)域,可以有更多的發(fā)射機(jī)同時工作,這樣提高了系統(tǒng)空間利用率,增加了系統(tǒng)的用戶容量。若以每平方米比特率( bps/ m2 ) 度量,UWB 可達(dá)1 Mbps/ m2 ,而IEEE 802. 11a 為83 kbps/ m2 ,藍(lán)牙為30 kbps/ m2 ,IEEE 802. 11b 為1 kbps/ m2 。UWB 抗多徑衰落固有的魯棒性,使得它的發(fā)射功率可以很低。根據(jù)FCC 的規(guī)定,在UWB 帶寬內(nèi),UWB 信號的發(fā)射功率要小于0. 56 mW,也就是說功率密度小于75 nW/M

9、Hz ( - 41. 3 dBm/MHz) 。這樣,一方面UWB 功率低,不會干擾其它通信系統(tǒng);另一方面,它的信號頻譜如同噪聲,具有很好的隱蔽性,不容易被截獲,保密性好。UWB 擴(kuò)頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0. 010. 001 ,具有比其它擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強(qiáng)。一般來說,UWB 抗干擾處理增益在50 dB 以上。UWB 可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化結(jié)構(gòu),具有電路簡單、成本低廉等特點(diǎn)。它只需一個簡單的數(shù)字電路來產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制脈沖,完全可以集成到一個芯片上。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求,UWB 既可以工作在多用戶低速率模式,也可以工作在少用戶高速率

10、模式,具有很強(qiáng)的靈活性。UWB 發(fā)射功率嚴(yán)格小于0. 56 mW,功耗只有5070W,這相當(dāng)于蜂窩手機(jī)的千分之一,不會影響人體的健康,并且可以大大延長電池的使用壽命。UWB 信號的形式主要有兩種:跳時(TH) 信號和直接序列(DS) 信號。TH - UWB 采用瞬時開關(guān)技術(shù)來產(chǎn)生短脈沖或只有很少幾個過零點(diǎn)的波形,直接將能量擴(kuò)展到很寬的頻帶內(nèi)。脈沖由專用寬帶天線,以每秒幾十至幾百兆赫的高速率發(fā)射,這些脈沖在時間上以隨機(jī)或偽隨機(jī)間隔分布。對這些脈沖進(jìn)行時間編碼就可以實(shí)現(xiàn)多址通信。DS - UWB 采用每秒吉比特的速率發(fā)射的高占空比寬帶脈沖,該脈沖序列以每秒數(shù)百兆比特的速率對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,多個編碼脈

11、沖表示一個比特,編碼增益能提供抗多徑干擾能力,在短距離范圍內(nèi),DS - UWB 能提供極高的數(shù)據(jù)率。這兩種信號在各種環(huán)境中的優(yōu)缺點(diǎn)還有待于進(jìn)一步研究與實(shí)驗(yàn)。UWB 雖然具有抗多徑衰落的能力,但它還是受到多徑衰落的影響。例如,當(dāng)傳播距離和天線高度之比過大時,視距信號和反射信號到達(dá)的時差可能小于發(fā)射脈沖的持續(xù)時間,這時多徑干擾將不可避免。因此要對UWB 系統(tǒng)的最大速率作出嚴(yán)格限制,使得信號的周期盡可能長一點(diǎn),確保在下一個脈沖發(fā)射之前目前正在傳輸?shù)拿}沖所引起的多徑分量基本消失,以減少傳輸脈沖之間的干擾;同時UWB 信號的周期又不能太短,否則在一個脈沖傳輸過程中信道的時變效應(yīng)就不能忽略。UWB 采用的

12、是頻譜重疊技術(shù),容易對其它同頻系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。UWB 的發(fā)射功率雖然很小,但它的瞬時峰值功率還是比較大的,因此有必要采取一定的優(yōu)化措施,例如自適應(yīng)功率控制、占空比優(yōu)化等,以減少對其它通信系統(tǒng)的干擾。另一方面,由于UWB 系統(tǒng)傳輸功率很低,且大部分工作在工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)或者住宅區(qū)等一些環(huán)境惡劣的場合,容易受到噪聲和其它同頻無線電的干擾。如何解決UWB和其它無線電系統(tǒng)的兼容問題是目前UWB 的一個重要課題。例如可以使用軟無線電技術(shù),實(shí)現(xiàn)UWB 接收機(jī)全數(shù)字化,動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)率、功耗等,使得UWB 接收機(jī)真正與發(fā)射機(jī)的頻帶自適應(yīng),提高UWB 系統(tǒng)與其它通信系統(tǒng)在同頻段共用時的兼容性。UWB 原先用在軍事上

13、,大容量、多用戶不是它的主要目的。但在商業(yè)通信中大容量、多用戶恰恰是它的主要問題,而UWB 信道的時域特殊性需要一個合適的調(diào)制技術(shù)和編碼方案來提高系統(tǒng)的用戶容量。理想的UWB 接收機(jī)是RAKE 接收機(jī),但它的復(fù)雜性隨著多徑數(shù)的增加呈指數(shù)上升,因此一般采用的是次最佳RAKE 接收機(jī)。這種次最佳RAKE 接收機(jī)的性能又是任何? 是否存在其它更好的接收機(jī)結(jié)構(gòu)? 這些都有待于進(jìn)一步的研究。根據(jù)Q. Li 和L.Rusch 的研究6 ,自適應(yīng)多用戶檢測接收機(jī)能集聚多徑能量,在克服符號間干擾和碼片間干擾等方面要比4個和8個支路的RAKE 接收機(jī)好得多,特別是在抗寬帶干擾方面,這種接收機(jī)具有更多的優(yōu)越性。U

14、WB 信號覆蓋范圍寬,頻率彌散效應(yīng)明顯。在頻段的低端和高端信號有著不同的失真、頻散及損耗。另外高速器件的成本要比低速器件貴得多。采用信道分割技術(shù)可以有效地克服這些問題。通過信道的分割技術(shù)還能避免與無線LAN 使用的5 GHz頻帶的干擾,不同區(qū)域可分配不同的波段、確保信號的輕松傳輸。在UWB 產(chǎn)品的天線設(shè)計方面,要求是微型、在各種條件下能正常工作(例如靠近物體或放在身邊) ,具有超寬頻帶和一定增益。而UWB 信號的帶寬很寬,根據(jù)自由空間傳播定理,頻段的高端和低端增益相差大約11 dB。所以實(shí)現(xiàn)高效的UWB 天線,尤其在尺寸很小時,困難重重?？傊?我們面臨的挑戰(zhàn)很多,許多課題有待于我們?nèi)ソ鉀Q。例如

15、,在產(chǎn)業(yè)化方面,還要考慮系統(tǒng)成本的優(yōu)化、覆蓋范圍的大小、數(shù)據(jù)速率的高低、電池壽命的長短、信道特性的變化等。MIMO-UWB技術(shù)將MIMO技術(shù)用于UWB系統(tǒng)具有很高的鏈路可靠性和速率適配能力，與窄帶無線通信系統(tǒng)不同，UWB系統(tǒng)中多徑衰落的影響要小得多，因?yàn)閁WB非常窄的脈沖在多徑傳播時引起大量獨(dú)立的衰落信號分量能夠被分辨，從而能實(shí)現(xiàn)有效的多徑信號分集接收。MIMO-UWB系統(tǒng)能夠在時域上很好地解決有害的碼間干擾和信道間干擾問題，原因在于接收信號具有良好的自相關(guān)及互相關(guān)特性9,10。近年來，國外開始進(jìn)行MIMO技術(shù)在超寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，本文對MIMO-UWB方向的國內(nèi)外研究結(jié)果進(jìn)行綜述，包括M

16、IMO-UWB系統(tǒng)的多址技術(shù)、發(fā)射鏈路技術(shù)和接收與檢測技術(shù)等。如前所述，UWB系統(tǒng)在很低的功率譜密度的情況下，已經(jīng)證實(shí)能夠在戶內(nèi)提供超過480Mbps的可靠數(shù)據(jù)傳輸。與當(dāng)前流行的短距離無線通信技術(shù)相比，UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢，最大可以提供高達(dá)1000Mbps以上的傳輸速率。UWB技術(shù)在無線通訊方面的創(chuàng)新性、利益性已引起了全球業(yè)界的關(guān)注。 隨著MIMO的技術(shù)的出現(xiàn)，一種利用多個發(fā)射天線、多個接收天線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)被提出，并成為未來無線通信技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。最早提出MIMO概念的是Telatar和Foschini，其中Foschini等人提出的BLAST結(jié)構(gòu)是典型的利用MI

17、MO技術(shù)進(jìn)行空間多路復(fù)用的技術(shù)。已經(jīng)證明，具有M個發(fā)射天線以及P個接收天線的MIMO系統(tǒng)，在PM的情況下幾乎可以使得信道容量提高到原來的M倍。近年來，國內(nèi)外開始進(jìn)行MIMO技術(shù)在超寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，出現(xiàn)了一些研究結(jié)果，但都還是處于起步階段，還沒有特別成熟的研究成果。MIMO系統(tǒng)的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。因此可利用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)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。MIMO技術(shù)成功之處在于它能夠在不額外增加所占用的信號帶寬的前提下帶來無線通信的性能上幾個數(shù)量級的改善。如下圖所示為MIMO-UWB系統(tǒng)的模型和UWB的一般系統(tǒng)模型相比較

18、在信號調(diào)制之后加入了多路技術(shù)，在時域上很好的解決了有害的碼間干擾和信道間的干擾。通過功率控制有效的提高了系統(tǒng)的功率利用率。在多用戶環(huán)境下，假設(shè)MIMO-UWB系統(tǒng)有Nu個用戶，每個用戶都有Nt個發(fā)射天線，同時有Nr個接收天線。將每個用戶的發(fā)射信息劃分成b比特一組，以一個符號來發(fā)送，這樣就需要M=2b個符號。進(jìn)一步再將符號劃分成Nb個一組，每組符號編碼成一個空時碼，并且在K個時隙的時間長度中通過Nt個天線將這個空時碼發(fā)送出去。顯然，這種編碼的效率為R=Nb/K。每個空時碼矩陣都是一個K×Nt的矩陣，記做Du，該矩陣的第K行，第i列元素diu(k)是第u個用戶在第k個時隙通過第i根天線發(fā)

19、送出去的一個M進(jìn)制碼元。也就是說空時碼矩陣的每行都對應(yīng)著發(fā)射時隙，每列對應(yīng)著發(fā)射天線。發(fā)射機(jī)將空時碼矩陣中的每個元素diu(k)轉(zhuǎn)換成UWB信號，通過天線發(fā)送出去。形成什么樣的UWB信號需要綜合考慮選用的多址方式和調(diào)制方式。其中有TH-MPPM，TH-BPSK，DS-BPSK。MIMO-UWB系統(tǒng)的天線選擇：多天線(MIMO)技術(shù)能在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，因而成為新一代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及熱門研究課題。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線，利用無線信道的多徑特征來抑制信道衰落。MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的

20、通信容量和頻譜利用率，同時可提高信道的可靠性，降低誤碼率。MIMO系統(tǒng)在收發(fā)兩端使用多個天線，每個收發(fā)天線對之間形成一個MIMO子信道，假定發(fā)射端有M個發(fā)射天線，接收端有N個接收天線，則在收發(fā)之間就形成了N×M的信道矩陣H，在某一時刻t，信道矩陣H為：其中H陣中的元素為任意一對對應(yīng)收發(fā)天線之間的增益。對于信道矩陣參數(shù)確定MIMO信道，假定發(fā)送端不知道信道信息，總的發(fā)送功率為P，與發(fā)送天線的數(shù)量M無關(guān);接收端的噪聲用N×1矩陣n表示，它的元素是靜態(tài)獨(dú)立零均值高斯復(fù)數(shù)變量，各個接收天線的噪聲功率均為2;發(fā)送功率平均分配到每一個發(fā)送天線上，則容量公式為： 固定N，令M增大，使得則

21、容量公式近似可以表示為： 從上式可見，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。因此可利用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)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。MIMO技術(shù)成功之處在于它能夠在不額外增加所占用的信號帶寬的前提下帶來無線通信的性能上幾個數(shù)量級的改善。 MIMO-UWB系統(tǒng)的天線選擇算法在MIMO-UWB系統(tǒng)的多路技術(shù)中使用一種改進(jìn)的天線選擇算法，該算法是一種遞減的算法，最早是由S.Vijayakumaran博士于2006年提出的。在MIMO-UWB系統(tǒng)中假設(shè)發(fā)送天線數(shù)量固定，在Nr個接收天線中選擇Lr個天線構(gòu)成新的信道矩陣Hw。,其中ih是第i行的向

22、量。用集合w=w(1),w(2),w(Lr)表示的天線子集。相應(yīng)的信道矩陣由集合中元素值所指示的H中的行向量組合而成，例如w=1,3表示由的第i行第3行向量組成。接收天線選擇后的信道容量 在集合中選擇一個子集w，使得C(Hw)最大。最優(yōu)的方法是搜索可能的組合，這樣可以得到最大的容量，但是對每個信道都要計算Nr次(4-23)式，所以基本不具有實(shí)用價值。然而用奇異值表示的信道容量見式(4-24): 其中r是Hw的秩，是Hw的第i個奇異值。從(4-24)式中可以得出結(jié)論：如果r大并且每個奇異值也大，可以得到較大的信道容量。在H中選擇Frobenius范數(shù)大并且相關(guān)性較小的行向量，組成Hw。定義向量i

23、,j間的相關(guān)系數(shù)為：選擇一行刪除，集合w刪除一對的元素。直到刪除掉Nr-Lr行，使H變成Lr ×Nr的矩陣Hw。設(shè)計行向量的刪除規(guī)則，使剩余的行向量的范數(shù)大，并且向量之間的相關(guān)性小。這里定義刪除第m行的信道范數(shù)相關(guān)系數(shù)為： 其中n代表第n次天線刪除選擇，m是集合w中的一個元素，w(i)表示集合w中去元素m和第i個元素后剩余的元素組成新集合中的第j個元素。該系數(shù)表達(dá)了從集合w中刪除元素m之后剩余矩陣各行的范數(shù)和相關(guān)性的一個度量。天線選擇的規(guī)定意義為：每次在剩余的w中選擇一個元素m,使最大。 這樣新選擇出的接收天線使Hw的各行具有較大的范數(shù)并且各行之間相關(guān)性較小，具有較大的范數(shù)。計算過程如下：(a) 初始化n=1，計算和。(b) 在刪除第n根天線的選擇中計算，選擇m使。(c) 在集合w中刪除元素m更新集合w。(d) n=n+1,循環(huán)(b)、(c)、(d)步驟，直到n=Lr。很明顯該算法是一種次