mimo技术
浅谈MIMO技术
一、MIMO技术的概念
多输入多输出技术（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。
图1是MIMO系统的一个原理框图,发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去，接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。根据空时映射方法的不同，MIMO技术大致可以分为两类：空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信
道中，使用一根发射天线n 根接收天线，发送信号通过n 个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n 根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时分组码（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技术。STBC是基于发送分集的一种重要编码形式，其中最基本的是针对二天线设计的Alamouti方案，具体编码过程如图2所示。
可以发现STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天线上面要传输的信号矢量相互正交，如图2-19中x 1和x 2的内积为0，这时接收端就可以利用发送端信号矢量的正交性恢复出发送的数据信号。使用STBC技术，能够达到满分集的效果，即在具有M根发射天线N 根接收天线的系统中采用STBC技术时最大分集增益为MN。波束成形技术是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效提高天线增益。为了能够最大化指向用户的波束的信号强度，通常波束成形技术需要计算各个发射天线上发送数据的相位和
功率，也称之威波束成形矢量。常见的波束成形矢量计算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根发射天线采用波束成形技术可以获得的最大发送分集增益为M。空间复用技术是将要传送的数据可以分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。常用的空间复用方法是贝尔实验室提出的垂直分层空时码，即V-BLAST技术，如图3所示。
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统是一项运用于802.11n的核心技术。
802.11n是IEEE继802.11b\a\g后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。同时，专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。
二、MIMO技术的研究现状
在MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及相
当广泛的内容。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多入多出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中，均假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。
另外实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。目前各大公司均在研制实验系统。
空时编码是MIMO的基本问题,相关文献中已提出了不少MIMO及空时编码算法。但是为了在4G (第四代)等新一代系统中实际应用MIMO,在空时编码算法研究上还有大量工作要做。新一代无线通信系统计划采用空时处理技术,例如IEEE802.16.3宽带固定无线接入标准的物理层把空时码作为内码,RS码作为外码;欧洲WIND-FLEX项目研究空时处理用于室内64~100Mbit/s的无线自适应MODEM。数据速率20Mbit/s、带宽效率提高20%的空时码是4G的重要技术之一。人们正在不断地提出新的或改进的空时编码方法,以改善MIMO性能，减少空时编码系统复杂性,更好地适合新一代无线通信系统的要求和信道实际的情况。
Hochwald提出了一种针对分段恒定衰落信道的新的信号调制方法——单式空时调制(Unitary Space-time Modulation)。这种方法可以在不估计信道传输矩阵的条件下实现MIMO处理。随后,他们又将该方法推广到连续衰落信道情况,提出了微分单式空时码。Bauch提出了将Turbo 码与短空时分组码串接, Narayanan提出了将Turbo码与短空时分组码串接,Liu基于秩理论提出了全分集和全速率空时Turbo码, Cui等研究了并行级联Turbo空时码,Sallathurai等针对V-BLAST的问题,提出采用软对消方式实现检测的TURBO编码与BLAST结构结合的MIMO处理方案。
为了在新一代系统中实际应用MIMO技术,就必须结合具体通信体制(多址方式、双工方式、调制方式、常规信道编码方式、多用户检测方式、波束形成方式等)进行性能研究和系统设计。近来,已有一批有关的研究结果发表。Agrawal等提出了一种OFDM与空时码结合的MIMO方案,Goeckel等提出了用于OFDM的多维信号集,Wang等研究了在相关衰落信道情况OFDM空时码系统。空时码与信道编码等处理的结合是空时研究的重要方向。Liu和Hanzo的文章对空时码与信道码的
级联进行了很好的综述。
MIMO实验系统研究是极为重要的内容,各大公司均在研制实验系统。Bell实验室的BLAST系统是最早研制的MIMO实验系统。该系统工作频率为1.9GHz,发射8天线,接收12天线,采用D-BLAST算法。在室内实验时,发射分支长为100符号,其中20符号用于训练，符号率为24.3kSymbol/s。8个发射子流均用未编码的16QAM,达到了25.9bps/Hz
的频谱效率。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究,对于在3G、4G中应用尚有相当大的距离。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收,许多学者正在进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小, 因而有大量工作要做。
三、MIMO的核心技术
MIMO技术的核心是时空信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理,它有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。MIMO技术成功之处主要是它能够在不额外增加所占用的信号带宽的前提下带来无线通信的性能上几个数量级的改善。利用M IMO 信道的容量已经提出了很多种技术,如BLAST,即贝尔空时分层结构(Bell labs layered space- time architecture);STTC,即空时格形码( space- time trellis codes);STBC,即空时分组码( space- time block codes)。
1、BLAST技术
Bell实验室提出的BLAST是一种有效的MIMO处理算法,利用BLAST 技术,如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道,并利用先进的多用户检测技术,同时准确高效地传送用户数据,其结果是可以极大提高系统的容量。
BLAST系统是以C.J.Fosch in i为首的一批科学家研制出的,它是
由多个天线组成点对点的无线传输系统,信道之间相互独立,主要利用空间分集特性来挖掘而不是克服多径效应,从而大大提高了频谱效率。
BLAST系统是天线的分集接收基础上发展起来的。多天线分集接收的前提是各空间信道的独立性,即信号所经历的衰落过程是彼此独立的,这就要求接收天线之间保持足够的距离,发端的多天线也
要保持足够的距离。BLAST系统是点对点的通信系统,没有考虑系统中存在多用户的情况,一旦应用于多用户系统,不同用户间的干扰如何解决仍是悬而未决的问题。
BLAST系统要求在通信过程中信道变化很缓慢,即在准静态信道下工作。此外,还要求信道中存在丰富的散射体,以确保各发射信号经过信道散射后能够具有足够好的相关特性来实现彼此区分。
在BLAST系统基础上,目前有很多研究者在进行进一步的工作, 包括把BLAST系统中的结论推广到蜂窝系统和多用户系统中,以及研究BLAST系统为代表的MIMO系统的信道容量和频谱效率等。但这些研究仍处于探索阶段,值得感兴趣的研究者继续深入研究。
2.空时格形码
空时格形码(Space- Time Tre llis Codes,STTC)，是由朗讯实验室的Tarokh等提出的空时编码技术,适用于多种无线信道环境。STTC把编码和调制结合起来,能够达到编译码复杂度、性能和频带利用率的最佳折衷,是一种最佳码。采用STTC能同时得到编码增益和分集增益,
虽然它能够提供比现有系统高3~ 4倍的频谱效率,但是其译码复杂度随着状态数的增加而呈指数增长。
3. 空时分组码
空时分组码是由AT&T的Tarokh等人在Alamouti的研究基础上提出的。Alamouti提出了用两个发射天线和一个接收天线的系统可以得到采用一个发射天线两个接收天线系统同样的分集增益。
Tarokh在信道编码中引入了正交性结合这种发射分集提出了空时码。空时分组码正是利用正交设计的原理分配各发射天线上的发射信号格式,实际上是一种空间域和时间域结合的正交分组编码方式。空时分组码可以使接收机解码后获得满分集增益,且保证译码运算仅仅是简单的线性合并,使译码复杂度大大降低。
四、MIMO技术的应用
目前,朗讯、松下、金桥和NTT DoCoMo等公司都在积极倡导M IMO 天线系统技术的应用。在3GPP的高速下行链路分组接入方案（High Speed Downlink PacketAccess, HSDPA)中提出了使用MIMO天线系统, 这种系统在发送和接收方都有多副天线,可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外,在3GPP(第三代协作伙伴项目)的WCDMA(宽带码分多址)协议中,涉及到了6种分集发射方法,即空时分集发射( Space Tim e Transm it Diversity, STTD )、时间切换分集发射( Time Sw itched Transm it Diversity, TSTD)、两种闭环分集发射模式、软切换中的宏分集,以及站点选择分集发射( Site Selection Diversity Transm
it SSDT)。宏分集是指在CDMA(码分多址)系统的软切换过程中,可以通过2个甚至3个基站同时向一个移动台发射同样的信号,这是宏分集发射; 同样，接收时通过相邻的基站进行分集接收(多个基站接收),即进行宏分集接收。
MIMO技术已经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中,采用MIMO 的主要公司是IospanWireless和Raze Techno logies。IospanW ireless的AirBurst系统是基于MIMO-OFDM(正交频分复用)的FDD(频分双工)系统。Raze Techno logies的SkyFir系统也具有MIMO接口,并且可以用波束成形控制器来升级。
五、MMIO技术未来的研究方向
过去的十几年中,MIMO技术已经取得相当大的进展,但是在实际的系统中要达到MIMO理论上的容量增加仍然有许多技术难点。这些技术难点也是目前MIMO技术的研究热点,主要有以下4个方面。
1、信道建模和信道容量
研究MIMO技术时必须考虑信道模型和信道容量。实现MIMO系统实际增益的关键在于建立更准确的信道模型,在对MIMO信道容量进行研究时,应该考虑多径,考虑衰落之间的相关性对信道容量的影响。
2、MIMO系统的信号设计和信号处理
MIMO信道的识别、对于已知信道应如何设计最佳发送信号——设计出适合于大多数信道模型的通用信号、接收端信号处理如何对应信号设计,这些都是实际可用的MIMO系统必须考虑的问题。使用最优的
发送信号方案,可以大大简化对接收信号的处理。一旦发送方案确定,就可以确定各种接收端的结构,当前的研究热点是考虑信号处理结构在性能和处理复杂性两者之间折衷。
3、与传播相关的研究方向
如何解决MIMO系统的多径效应是一个很重要的问题,现在常用的方法一是在接收端做均衡处理,二是与OFDM技术结合。美国Agere系统公司日前开发成功了最高传输速度为162Mbit/s的无线LAN(局域网) 技术,这种技术是在收发两端使用阵列天线的多输入多输出(MIMO) 和正交频分复用(OFDM)。该系统使用3对收发天线,每对收发天线可以实现54Mbit/s的传输速率。这是目前MIMO+OFDM技术所表现的强大的应用潜力。IEEE 802.11a、11g都是以OFDM作为核心技术,而IEEE 802.16系列则是以MIMO+OFDM技术为核心。
世界各国和各大电信厂商目前都已经开展了新一代移动通信系统的研究,而且MIMO技术是具有极高频谱利用率的技术,在V-BLAST算法下,理想情况下可以达到20~ 40b it/s/H z,这是目前任何一种技术所达不到的。另外在各类无线通信系统中,ISI(符号间干扰)一直是影响通信质量的重要因素。OFDM技术能够有效对抗ISI,同时具有频谱利用率高、抗多径衰落性能好、成本偏低等优点,使得这两种技术特别是两者的结合有望成为过渡到4G的潜在技术。因此这两种技术已经成为目前4G研究的热点,是一个非常有前景的研究方向。
4、MIMO在未来网络中的应用
在未来的4G系统中,MIMO技术将发挥巨大的作用,但还有很多工
作需要广大学者进行:研究开发适合蜂窝网络的M IMO 链路;设计利用MIMO信道实现在降低干扰和提高速率之间最优的折衷算法;MIMO 算法如何应用在由于用户移动造成的快速时变信道中;减少附加天线所带来的干扰;基于MIMO的物理层和MAC(媒体接入控制)层主要功能的分析及两者之间的相互作用;多用户情况下所引入的多址干扰等。
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姓名：韩超
学号：12007243790 班级：通信（2）班