MIMO天線3種技術及應用場景分析
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0 前言
多入多出(MIMO)系統(tǒng)指在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線的通信系統(tǒng)。研究證明，MIMO技術非常適用于城市內復雜無線信號傳播環(huán)境下的無線寬帶通信系統(tǒng)，在室內傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達到20～40 bit/s/Hz;而使用傳統(tǒng)無線通信技術在移動蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz，在點到點的固定微波系統(tǒng)中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射頻信號多徑會引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO技術作為提高數(shù)據傳輸速率的重要手段得到人們越來越多的關注，被認為是新一代無線通信技術的革命。
1 MIMO系統(tǒng)的3種主要技術
當前，MIMO技術主要利用發(fā)射分集的空時編碼、空間復用和波束成型等3種多天線技術來提升無線傳輸速率及品質。
1.1 發(fā)射分集的空時編碼
基于發(fā)射分集技術的空時編碼主要有2種，即空時分組碼(STBC)和空時格碼(STTC)。雖然空時編碼方案不能直接提高數(shù)據率，但是通過這些并行空間信道獨立、不相關地傳輸信息，從而使信號在接收端獲得分集增益，為數(shù)據實現(xiàn)高階調制創(chuàng)造條件。
1.1.1 空時分組碼(STBC)
STBC在發(fā)射端對數(shù)據流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，它通過在發(fā)射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益，空時分組碼是將同一信息經過正交編碼后從多根天線發(fā)射出去。MIMO系統(tǒng)的原理如圖1所示，傳輸信息流s(k)經過空時編碼形成N個信息子流 ci(k)，i=1，...，N。這N個信息子流由N個天線發(fā)射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。特別是這N個子流同時發(fā)射信號，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應獨立不相關，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。
STBC是1998年，Alamouti提出的一種非常簡單的發(fā)射分集技術，由于其簡單的結構和良好的性能，很快進入了3GPP標準。STBC實質上是將同一信息經過正交編碼后從2個天線上發(fā)射出去，2路信號由于具有正交性，在接收端就能將2路獨立的信號區(qū)別出來，只需要做簡單的線性合并就可以獲得分集增益。
但是，STBC的正交碼組的構建還存在一定的問題。對于實數(shù)信號星座(PAM星座)，它才可以構造編碼速率為1的空時編碼算法。但是，對于一個普通的復數(shù)信號星座，例如MQAM(如16QAM)或MPSK(如8PSK)，當發(fā)射天線陣子數(shù)目大于2時，是否存在編碼速率為1的碼組還有待更深入的研究。目前對于發(fā)射天線陣子數(shù)目等于3、4以及大于4的系統(tǒng)，如果采用復數(shù)信號星座，那么最大的空時編碼速率只能達到3/4和1/2?？梢?，對于采用高階調制的高速率多天線的無線通信系統(tǒng)，如果直接采用空時分組編碼算法，不可能充分地利用系統(tǒng)的有效性。因此，尋找更好的空時分組碼目前已成為一個研究方向;另外，如何在頻率選擇性信道、時間選擇性信道中充分利用空時分組碼的優(yōu)勢也是一個研究課題?？傊斍癝TBC還是基于發(fā)射天線陣子數(shù)目等于2的發(fā)射分集技術。
1.1.2 空時格碼(STTC)
STTC是從空時延遲分集發(fā)展來的，而空時延遲分集可以看作是空時格碼的一個特例?？諘r格碼具有卷積碼的特征，它將編碼、調制、發(fā)射分集結合在一起，可以同時獲得分集增益和編碼增益，并且使得系統(tǒng)的性能有很大的提升?？諘r格碼利用某種網格圖，將同一信息通過多個天線發(fā)射出去，在接收端采用基于歐式距離的Viterbi譯碼器譯碼。因此譯碼復雜度較高，而且譯碼復雜度將隨著傳輸速率的增加呈指數(shù)增加。
早期的分集模型采用延時發(fā)送分集，這種分集的框圖如圖2所示。編碼后的數(shù)據首先被重復一次，然后通過一個串/并轉換器，分成2個完全相同的數(shù)據流。其中一數(shù)據流經過調制后直接從一個天線發(fā)送出去;另一數(shù)據流經過一個符號的延時后，再經調制從另一個天線發(fā)送出去。由于數(shù)據在2個天線上同時發(fā)送，不同的只是一路數(shù)據被延時了一個符號，所以盡管采用了延時編碼，卻不會存在頻帶效率的損失。在接收端，通過Viterbi譯碼可以進行解調。這種延時的分集就是空時碼的雛形。可以證明當前所講的STTC可以由延時發(fā)送分集實現(xiàn)。
延時分集技術的產生使人們很自然地想到，能否存在一種更好的編碼方式，不需要重復編碼，就能在保持同樣的數(shù)據速率、不犧牲帶寬的情況下獲得更好的性能，這樣就產生了一種新的編碼方式，這就是集空分、時分、調制于一體的空時編碼。
在空時編碼中，STTC能夠在不增加傳送寬帶和不改變信息速率的情況下，獲得最大的編碼增益和分集增益。
1.2 空間復用
系統(tǒng)將數(shù)據分割成多份，分別在發(fā)射端的多個天線上發(fā)射出去，接收端接收到多個數(shù)據的混合信號后，利用不同空間信道間獨立的衰落特性，區(qū)分出這些并行的數(shù)據流。從而達到在相同的頻率資源內獲取更高數(shù)據速率的目的。空間復用與發(fā)射分集技術不同，它在不同天線上發(fā)射不同信息。
空間復用技術是在發(fā)射端發(fā)射相互獨立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進行解碼，此時的空口信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增大，從而能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率(見圖3)。
使用空間復用技術時，接收端必須進行復雜的解碼處理。業(yè)界主要的解碼算法有迫零算法(ZF)、MMSE算法、最大似然解碼算法(MLD)和貝爾實驗室分層空時處理算法(BLAST)。
迫零算法，MMSE算法是線性算法，比較容易實現(xiàn)，但對信道的信噪比要求較高，性能不佳;MLD算法具有很好的譯碼性能，但它的解碼復雜度隨著發(fā)射天線數(shù)量的增加呈指數(shù)增加，因此，當發(fā)射天線的數(shù)量很大時，這種算法是不實用的;綜合前述算法優(yōu)點的BLAST算法是性能和復雜度最優(yōu)的。
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