MIMO天線各種技術(shù)分析

多入多出(MIMO)系統(tǒng)指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的通信系統(tǒng)。研究證明，MIMO技術(shù)非常適用于城市內(nèi)復(fù)雜無線信號(hào)傳播環(huán)境下的無線寬帶通信系統(tǒng)，在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到20～40 bit/s/Hz;而使用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動(dòng)蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz，在點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射頻信號(hào)多徑會(huì)引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO技術(shù)作為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段得到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，被認(rèn)為是新一代無線通信技術(shù)的革命。

　　1 MIMO系統(tǒng)的3種主要技術(shù)

　　當(dāng)前，MIMO技術(shù)主要利用發(fā)射分集的空時(shí)編碼、空間復(fù)用和波束成型等3種多天線技術(shù)來提升無線傳輸速率及品質(zhì)。

　　1.1 發(fā)射分集的空時(shí)編碼

　　基于發(fā)射分集技術(shù)的空時(shí)編碼主要有2種，即空時(shí)分組碼(STBC)和空時(shí)格碼(STTC)。雖然空時(shí)編碼方案不能直接提高數(shù)據(jù)率，但是通過這些并行空間信道獨(dú)立、不相關(guān)地傳輸信息，從而使信號(hào)在接收端獲得分集增益，為數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制創(chuàng)造條件。

　　1.1.1 空時(shí)分組碼(STBC)

　　STBC在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤率，它通過在發(fā)射端增加信號(hào)的冗余度，使信號(hào)在接收端獲得分集增益，空時(shí)分組碼是將同一信息經(jīng)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(jīng)過空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci(k)，i=1，...，N。這N個(gè)信息子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。特別是這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)射信號(hào)，各發(fā)射信號(hào)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(yīng)獨(dú)立不相關(guān)，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。

　　STBC是1998年，Alamouti提出的一種非常簡(jiǎn)單的發(fā)射分集技術(shù)，由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和良好的性能，很快進(jìn)入了3GPP標(biāo)準(zhǔn)。STBC實(shí)質(zhì)上是將同一信息經(jīng)過正交編碼后從2個(gè)天線上發(fā)射出去，2路信號(hào)由于具有正交性，在接收端就能將2路獨(dú)立的信號(hào)區(qū)別出來，只需要做簡(jiǎn)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(gòu)建還存在一定的問題。對(duì)于實(shí)數(shù)信號(hào)星座(PAM星座)，它才可以構(gòu)造編碼速率為1的空時(shí)編碼算法。但是，對(duì)于一個(gè)普通的復(fù)數(shù)信號(hào)星座，例如MQAM(如16QAM)或MPSK(如8PSK)，當(dāng)發(fā)射天線陣子數(shù)目大于2時(shí)，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(duì)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(fù)數(shù)信號(hào)星座，那么最大的空時(shí)編碼速率只能達(dá)到3/4和1/2。可見，對(duì)于采用高階調(diào)制的高速率多天線的無線通信系統(tǒng)，如果直接采用空時(shí)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(shí)分組碼目前已成為一個(gè)研究方向;另外，如何在頻率選擇性信道、時(shí)間選擇性信道中充分利用空時(shí)分組碼的優(yōu)勢(shì)也是一個(gè)研究課題。總之，當(dāng)前STBC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(shù)。