移动通信系统中的MIMO 技术分析

课程论文（设计）题目移动通信系统中的MIMO 技术分析

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二Ｏ一四年五月二十八日

移动通信系统中的MIMO 技术分析

摘要:随着无线移动通信系统的飞速发展,需要更好的服务质量和更高的数据传输速率,所以使得对系统容量的需求日益增长。新型无线宽带移动通信系统中的关键技术-多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技术可以极大地提高系统容量,同时还可以提供阵列、分集、复用等增益[1]。文章从技术的发展,原理,系统结构,主要技术,应用以及标准化进展几方面详细探讨MIMO无线通信技术,为以后深入认识和研究MIMO技术奠定基础。

关键词:移动通信系统；MIMO；技术发展；应用

1 引言

随着无线通信的迅速发展,如何利用有限的频谱资源提供高速率、高质量的移动通信服务已成为关注的重点。常规的单天线收发通信系统已经无法解决新一代无线通信系统的大容量、高可靠性的需求问题,面临着严峻挑战。结合空时处理技术的多输入多输出(MIMO)技术,能成倍的提升系统容量和可靠性无需增加系统带宽。

2 MIMO技术概念

MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流,并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益,目前针对MIMO信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。

2.1 MIMO 技术的发展

MIMO无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物,它源于天线分集与智能天线技术,具有二者的优越性,属于广义的智能天线的范畴。

MIMO的早期概念在70年代就被提出了；1985年,贝尔实验室的Jack Salz和Jack Winters 发表了波束成型(beamforming)论文；1993年,Thomas Kailath和Arogyaswami Paulraj提出了利用MIMO的空分复用(Spatial multiplexing)概念；1996年, GerardJ. Foschini提出了贝尔实验室分层空时(BLAST : Bell laboratorieslayered space-time)技术；1998年,贝尔实验室演示了第一台空分复用实验室原型机；2001年后,多家公司开发出了基于MIMO技术的WiFi或WiMAX商用系统；至今,所有第四代移动通信(4G)候选标准都将采用MIMO技术。

虽然MIMO技术已取得了一定程度的发展与进步,但是MIMO技术的理论结合实践应用还是存在一定的差距,因此对MIMO 技术的深层次研究,对MIMO 技术的发展有着重要意义[2]。就目前看,MIMO技术还需要在下面几个问题上深入研究与发展:(1)信道建模和信道容量的问题。

(2)信号设计及处理问题。(3)MIMO 技术在4G网络中的应用和发展。(4)有效解决MIMO技术中多径效应的方法与措施。

2.2 MIMO 系统原理

多输入多输出(MIMO)系统是指在通信链路的两端均使用多个天线的无线传输系统[1]。n T×n R的MIMO系统框图如下图1所示。

发送端有 n T根发送天线,接收端有 n R根接收天线。其中X j表示来自第j 根发送天线的信号, h ij表示从第j 根发送天线到第i 根接收天线的信道衰落系数, y i表示第i 根接

收天线的信号。假设MIMO系统信道模型为分组衰落模型,信道矩阵元素服从独立同分布的复高斯型瑞利衰落。此时MIMO系统模型可表示为:

y=Hx+n

其中，y=[y1,y2,…,y nR]T是n R×1维接收信号向量, T 表示向量信道矩阵转置,H是n R×n T信道矩阵, x=[x1,x2,…,x nR]T是n T×1维发射信号向量,n=[n1,n2,…,n nR]T是n R×1维噪声向量。

图1 MIMO 系统框图

2.3 MIMO 关键技术

MIMO技术的关键技术通常是指空分复用、空间分集、波束赋形、预编码[2]。

(1)空分复用(Spatial Multiplexing):

是利用多天线通过多个独立的空间信道同时发送多个独立的数据流。在发射端,高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流,不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。Foschini等人提出的“贝尔实验室分层空时”(BLAST:Belllaboratories layered space-time)技术是最早提出的空分复用方法。空分复用基本框图如图2所示。

图2 空间复用基本框图

(2)空间分集(Spatial Diversity):

是将信号在多个独立的空间信道中传输,并在接收端对多份接收信号进行处理,从而减轻深衰落的影响,有效降低错误概率,提高系统可靠性。空间分集可分为接收分集和发射分集。LTE的多天线发送分集技术选用SFBC(Space Frequency Block Code)作为基本发送技术,图3为SFBC发送分集基本框图。

图3 SFBC 发送分集基本框图

(3)波束赋形(Beam-forming):

是一种基于天线阵列的信号处理技术,由多根天线产生一个具有指向性的波束,将能量集中在传输的方向上,以控制发送(或接收)信号的方向。原理:对多天线输出信号的相关性进行相位加权,是信号在某个方向形成同相叠加,在其他方向形成相位抵消,从而实现信号增益。

(4)预编码(precoding):

主要是通过改造信道的特性来实现性能的提升,是支持多层发送的广义波束成型技术。预编码对多个数据流采用各自不同且联合计算的预处理矢量,以使总链路吞吐量达到最大。在多用户系统中,基于最大均方差(MMSE)或迫零(Zero-forcing)的预编码是最常见的线性方法,可以以有限的复杂度达到较好的性能。

以上MIMO 相关技术并非相斥,而是可以相互配合应用的,如一个MIMO系统即可以包含空分复用和分集的技术。

2.4 MIMO 的信道容量

传统SISO系统在加性高斯白噪声信道中的信道容量[4](香农定理) :

C=log2(1+ρ)bps/Hz

ρ是接收端平均信噪比。

MIMO系统在平坦衰落信道中的信道容量上限:

C=E[log2det (I M+ρ

N

HH H)]bps/Hz

M是接收天线数,N是发射天线数, ρ是每根接收天线的平均信噪比,H是M×N阶的信道参数矩阵。

MIMO信道可以看成由M=min (n T,n R)个并行的信道或者本征模组成,因此整个MIMO信道的容量就是所有子信道容量之和。从理论上看,由于每个子信道都可以具有香农容量极限,所以,当发送/接受天线阵都具有良好的非相干性时,整个MIMO信道的容量可以显著提高。

3 MIMO 的应用与标准化进展

MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一[5]。在无线宽带移动通信系统方面,3GPP已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容,B3G和4G的系统中也应用了MIMO技术[3]。在无线宽带接入系统方面, 802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究方面,如超宽带(UWB)系统、感知无线电系统(CR),也在考虑了MIMO技术。

随着MIMO技术日趋成熟,并向实用化迈进,国际上很多研究机构已不断推动MIMO技术的标准化进程,包括:MIMO无线传播信道模型的标准化和MIMO技术的标准化。

第三代合作伙伴计划(3GPP)将MIMO技术纳入了HSPA+标准(R7版本),HSPA+中的MIMO采用的是2×2的天线模式。3GPP组织在基于LTE R8和LTER9上一步研究和开发LTE R10。增强的下行MIMO是LTE-Advanced的关键技术之一,与LTE R8相比,不仅扩展了天线还引入了很多优化