（计算机应用技术专业论文）室内mimo系统信道容量的改善.pdf

恩 学位论文数据集 中图分类号 t n 9 1 学科分类号 5 1 0 5 0 1 5 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 6 0 6密级 公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名葛永明学号 2 0 0 5 0 0 0 6 0 6 获学位专业名称计算机应用技术 获学位专业代码 0 8 1 2 0 3 课题来源自选项目 研究方向无线通信 论文题目室内m i m o 系统信道容量的改善 多输入多输出，指向性天线，基站，终端天线， 关键词 最小均方差算法，最大似然检测算法 论文答辩日期 2 0 0 7 - 1 2 - 7论文类型 2 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 张凤元副教授北京化工大学通信、信息安全 评阅人1戴亚平教授北京理工大学控制理论及应用 评阅人2曹柳林教授北京化工大学流程工业的建模与控制 评阅人3 评阅人4 评阅人5 徽员会捕戴亚平教授北京理工大学控制理论及应用 答辩委员1朱群雄教授北京化工大学智能系统与数据挖掘 答辩委员2曹柳林教授北京化工大学流程工业的建模与控制 答辩委员3王晶副教授北京化工大学智能控制 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 【一 摘要 室内m i m o 系统信道容量的改善 摘要 随着多媒体移动通信等新业务的发展，频谱资源日益紧张。人们持 续增长的需求与有限频谱资源之间的矛盾成为研究高频谱利用率技术的 动力和挑战。众多新技术中，基于多天线的多输入多输出无线通信结构己 显示出无尽的潜力，成为充分利用空间资源的必然途径。它可以不需增加 带宽和发射功率，大幅度地提高无线通信系统的信息容量和传输速率，从 而提供远高于传统单天线系统的频带利用率。 室内多输入多输出系统，即m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系 统，如使用无指向性天线作为基站天线，由于存在大量墙壁散射，送信电 力损失比较大。本文提出应用指向性天线作为室内m i m o 系统的基站天 线，从而改善系统的信道容量。通过e e m r t m 软件仿真与m a t l a b 软件 计算信道容量，接收端采用最小均方差算法，即m m s e ( m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ) 算法，与最大似然检测算法，即m l d ( m a x i m u ml i k e l i h o o d d e t e c t i o n ) 算法，进行信号处理。计算结果表明指向性天线作为基站天线 时，较之无指向性天线相比，系统信道容量能够得到很大提高，从而系统 的性能得到改善。本文还进一步研究了如何通过合理地配置基站天线系 数，改善系统的信道容量。仿真与计算结果表明在从四根终端天线中选择 两根作为接收器的情况下，基站天线参数设置为波瓣角度差丸= 9 0 。，方 向系数缸= 6 0 。时，系统信道容量最佳。 i 北京化工大学硕j ：学位论文 此外，为了提高系统的通信性能，降低系统的成本，本文探讨了m i m o 系统终端天线的选择方式，仿真结果表明依据最大信道容量选择接收天线 时，使用多根终端天线并从中选择两根作为接收天线是最有效的。 关键词：多输入多输出，指向性天线，基站，终端天线，最小均方差算 法，最大似然检测算法 h a b s t r a c t c h a n n e lc a p a c i t yi m p r o v e m e n to f i n d o o rm i m os y s t e m a b s t r a c t m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) s y s t e ma t t r a c t sm u c ha t t e n t i o n a n dh a sb e e np u ti n t oap r a c t i c a lu s e i tm a k e sh i g h s p e e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sp o s s i b l eb yu s i n gp l u r a la n t e n n a sf o re a c hs t a t i o nw i t h o u t e x t e n d i n gf r e q u e n c yb a n d w i d t h a sw e l lk n o w ，t h ec h a n n e lc a p a c i t yi sl o wu s i n go m n ia n t e n n a sa st h e b a s es t a t i o na n t e n n a sb e c a u s eo fu s e l e s sr a d i a t i o n a st oi m p r o v et h ec h a n n e l c a p a c i t y , t h i sp a p e rp r o p o s e st h a t c h a n n e lc a p a c i t yo ft h ei n d o o rm i m o s y s t e mc a nb ei m p r o v e du s i n gd i r e c t i o n a la n t e n n a sr a t h e rt h a no m n ia n t e n n a s u s i n ge e m r t ms o f t w a r e t os i m u l a t e ，m a t l a bs o f t w a r et oc a l c u l a t et h e c h a n n e l c a p a c i t y , a n d s i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m s o ft e r m i n a l ： m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) a n dm l d ( m a x i m u ml i k e l i h o o d d e t e c t i o n ) a l g o r i t h m st op r o c e s ss i g n a l ，t h er e s u l t sp r o v et h a tc h a n n e lc a p a c i t y o ft h ei n d o o rm i m os y s t e mc a nb ei m p r o v e du s i n gd i r e c t i o n a la n t e n n a sr a t h e r t h a no m n ia n t e n n a s m o r e o v e r , t h ee f f e c t so fd i r e c t i v i t ya n db e a md i r e c t i o n o fb a s es t a t i o na n t e n n a so nt h es y s t e mc a p a c i t ya r ee v a l u a t e d ，i ti sp r o v e dt h a t w h e n 牵b = 9 0 0a n d 查h p = 6 0 0 ，w ec a na c h i e v et h em a x i m u m c h a n n e lc a p a c i t y i i i 北京化t 大学硕l ：学位论文 a st o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm i m os y s t e ma n dr e d u c et h ec o s to f s y s t e m ，t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e st h ew a yo fs e l e c t i n gt h et e r m i n a la n t e n n a s w i t h g o o dc h a r a c t e r s s e l e c t i n gt e r m i n a la n t e n n a si s a c c o r d i n g t ot h e m a x i m u mc h a n n e lc a p a c i t y , i tc a nb es a i dt h a tu s i n gt w or e c e i v e r sw i t hm a n y t e r m i n a la n t e n n a si sv e r ye f f e c t i v e k e y w o r d s ：m i m o ，d i r e c t i o n a la n t e n n a ，b a s es t m i o n ，t e r m i n a la n t e n n a ， m m s ea l g o r i t h m ，m l da l g o r i t h m i v 目录 目录 第一章绪论 1 1 背景一1 1 2m i m o 技术及其优点2 1 2 1m i m o 技术简介2 1 2 2m i m o 技术的工作原理2 1 2 3m 1 m o 技术的优点一3 l - 3 无线m i m o 技术的研究和应用概况4 1 3 1 m i m o 技术的研究现状一彳 1 3 2 m i m o 技术研究中急需解决的问题一5 1 4 本文的主要工作6 1 5 本文的章节安排6 第二章m i m o 无线信道特征7 2 1s i s o 衰落信道的基本特征7 2 1 1s i s o 信道的相关函数7 2 1 2 时延扩展及相干带宽( 频率选择性衰落信道) 8 2 1 3 多普勒扩展及相干时间( 时间选择性衰落信道) 9 2 1 4 小尺度衰落的类型j ， 2 2m i m o 信道模型及其主要特性1 2 2 2 1m i m o 系统信号模型j 2 2 2 2m i m o 信道的主要特性，3 2 3m i m o 衰落信道的相关模型1 6 2 3 1l o sm i m o 信道的相关模型6 2 3 2 瑞利衰落信道m i m o 相关模型j 8 2 3 3 赖斯m i m o 信道的相关模型，9 2 4 本章小结2 0 第三章m i m o 系统的信道容量。2 1 v 北京化工人学硕i j 学位论文 3 1 引。言2 1 3 2 平均分配发射功率下的系统信道容量分析2 1 3 2 1 单输入单输出( s l s o ) 信道的容量2 j 3 2 2 多输入单输k ( m i s o ) 信道的容量2 2 3 2 3 单输入多输出( s i m o ) 信道的容量2 2 3 2 4 多输入多输出( m i m o ) 信道的容量2 3 3 3 本章小结2 4 第四章m i m o 系统模型构造解析2 5 4 1 o m n i 天线介绍2 5 4 2 指向性天线元模型解析2 5 4 3 传播模型解析。2 7 4 4 本章小结。2 8 第五章m i m o 系统信道容量的改善。2 9 5 1 基站放置于室内角落时指向性天线对系统信道容量的改善2 9 5 1 1 仿真条件2 9 5 1 2 信道容量的计算3 0 5 1 3 m m s e m i m o 的通信特性3 j 5 1 4 m l d m i m o 的通信特性一3 4 5 2 基站放置于墙壁中央时指向性天线对系统信道容量的改善效果3 6 5 2 1 仿真条件与信道容量的计算3 6 5 2 2 m m s e m i m o 的通信特性3 7 5 2 3m l d m i m o 的通信特性卯 5 3 基站天线系数对系统信道容量的影响4 3 5 4 终端天线选择对信道容量的影响4 3 5 4 1 m i m o 系统终端天线选择的提案4 4 5 4 2 提案中天线元对信道容量的影响效果私 5 5 本章小结4 8 第六章结论4 9 v i 目录 6 1 总结4 9 6 2 展望4 9 参考文献。5 0 p 付录。5 2 至炙谢6 1 研究成果及发表的学术论文6 2 作者简介6 3 v i i 北京化工大学硕f ：学位论义 co n t e n t s c h a p t e r1p r e f a c e 1 1 1b a c k g r o u n d 1 1 2i n t r o d u c ea n da d v a n t a g eo fm i m ot e c h n o l o g y 2 1 2 1i n t r o d u c eo f m i m ot e c h n o l o g y 2 1 2 2t h e o r yo fm i m o t e c h n o l o g y 2 1 2 3a d v a n t a g eo fm i m o t e c h n o l o g y 3 1 3r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm i m ot e c h n o l o g y 4 1 3 1r e s e a r c ho f m i m ot e c h n o l o g y 4 1 3 2f o c u so f m i m ot e c h n o l o g y 5 1 4m a i nw o r k 6 1 5c h a p t e r s 6 c h a p t e r2c h a r a c t e r so fm i m oc h a n n e l 7 2 1c h a r a c t e r so fs i s of a d i n gc h a n n e l 7 2 1 1r e l a t e df u n c t i o no fs i s oc h a n n e l 7 2 1 2t i m ed e l a ye x p a n s i o na n dr e l a t e db a n d w i d t h ( f r e q u e n c yc h o i c ef a d i n gc h a n n e l ) 8 2 1 3d o p p l e re x p a n s i o na n dr e l a t e dt i m e ( t i m ec h o i c ef a d i n gc h a n n e l ) 9 2 1 4t y p eo fs m a l l - s c a l ef a d i n g 1 1 2 2m i m 0c h a n n e lm o d e l a n dc h a r a c t e r s 1 2 2 2 1m i m os y s t e ms i g n a lc h a r a c t e r s 1 2 2 2 2m i m 0c h a n n e lc h a r a c t e r 1 3 2 3m o d e lo fm 】m 0f a d i n gc h a n n e l 16 2 3 1m o d e lo fl o sm i m oc h a n n e l 1 6 2 3 2m o d e lo f r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l 1 8 2 3 3m o d e lo fr i c em i m oc h a n n e l 1 9 2 4c o n c l u s i o n 2 0 c h a p t e r3c h a n n e lc a p a c i t yo fm i m oc h a n n e l 。2 1 v 1 1 1 c o n t e n t s 3 1p r e f a c e 2 1 3 2 c h a n n e l c a p a c i t y a n a l y s i s w i t h a l l o c a t i n g t r a n s m i t p o w e r a v e r a g e d 2 1 3 2 1c h a n n e lc a p a c i t yo fs i s o 。2 1 3 2 2c h a n n e lc a p a c i t yo fm i s o 2 2 3 2 3c h a n n e lc a p a c i t yo fs i m o 2 2 3 2 4c h a n n e lc a p a c i t yo fm i m o 。2 3 ：；3c o n c l u s i o n 2 4 c h a p t e r4m i m os y s t e mm o d e lc o n f i g u r a t i o n 2 5 4 1i n t r o d u c eo fo m n ia n t e n n a 2 5 4 2a n a l y s i so fd i r e c t i o n a la n t e n n am o d e l 2 5 4 3a n a l y s i so f p r o p a g a t i o nm o d e l 2 7 4 4c o n c l u s i o n 2 8 c h a p t e r5m i m oc h a n n e lc a p a c i t yi m p r o v e m e n t 。2 9 5 1c h a n n e lc a p a c i t yi m p r o v e m e n tw i t hd i r e c t i o n a la n t e n n al o c a t e da tt h e c o r n e ro fr o o m 2 9 5 1 1s i m u l a t i o nc o n d i t i o n 2 9 5 1 2c a l c u l a t i o no f c h a n n e lc a p a c i t y 3 0 5 1 3m m s e m i m 0c o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r 3 1 5 1 4m l d m l m 0c o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r 3 4 5 2c h a n n e lc a p a c i t yi m p r o v e m e n tw i t hd i r e c t i o n a la n t e n n al o c a t e da tc e n t e r o ft h ew a l l 3 6 5 2 1s i m u l a t i o nc o n d i t i o na n dc a l c u l a t i o no fc h a n n e lc a p a c i t y 3 6 5 2 2m m s e m i m 0c o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r 3 7 5 2 3m l d m i m 0c o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r 4 0 5 3e f f e c t so f b a s es t a t i o na n t e n n a s p a r a m e t e ro nc h a n n e lc a p a c i t y 4 3 5 4e f f e c t so ft e r m i n a la n t e n n a ss e l e c t i o no nc h a n n e lc a p a c i t y 4 3 5 4 1 p r o p o s a lo fm i m o t e r m i n a la n t e n n a ss e l e c t i o n 4 4 5 4 2e f f e c t so fa n t e n n ae l e m e n to nc h a n n e lc a p a c i t y 4 4 5 5c o n c l u s i o n 4 8 北京化工大学硕f ：学位论文 c h a p t e r6 c o n c l u s i o n s 。4 9 6 1c o n c l u s i o n s 4 9 6 2p r o s p e c t 4 9 r e f e r e n c e s 5 0 a p p e n d i x 5 2 t h a n k s 6 1 r e s e a r c hr e s u l t sa n dp r e s e n t e d p a p e r 6 2 a u t h o r i n t r o d u c e 6 3 x 符号说明 x x i 7 1 ) 毒 f 尸 r 夕j a l ，2 t r ( a ) h i ( a ) d e t ( a ) r a n k ( a ) v e c ( a ) 凡 g 西昭( a i ，0 2 ，0 口r n ) m i n ( 口l ，0 2 ，口m ) m a x ( 口l ，0 2 ，口m ) d 俐 俐+ e e h o 木 f x d f t ， j o t ) l 0 9 2 ( 。j t n ( ) h ( ) 符号说明 变量 向量 矩阵 单位矩阵 向量或矩阵的转置 变量、向量或矩阵的共轭 向量或矩阵的共轭转置 元素的倒数或矩阵的逆 矩阵a 的平方根 矩阵a 的迹 矩阵a 的第i 个特征值奇异值 矩阵a 的行列式 矩阵a 的秩 将矩阵a 按列堆积成列向量 向量x 的自相关矩阵 向量x 的自协方差矩阵 以元素口- ，0 2 ，口。为对角元素的对角矩阵 元素口- ，0 2 ，口。中的最小值 元素0 1 ，0 2 ，口。中的最大值 x 的同阶无穷小 m a x ( o ，x ) 数学期望符号 相对于h 求数学期望 序列的循环卷积或者矩阵的k n o n e c k e r 乘积 线性卷积符号 相对于x 的傅立叶变换 离散傅立叶变换 第一类零阶b e s s e l 函数 以2 为底的对数 自然对数 信息熵或s i s o 信道的频域表示 x i 北京化工大学顾卜学位论文 i ( x y ) c r e ( ) i m ( 夕 r 朋。玎 c n 。仃 n ( 嚏孑1 c n ( 1 z 。孑) x , y 之间的互信息 信道容量 取实部操作 取虚部操作 m x n 维实数域 m x n 维复数域 均值为队方差为g 2 的实高斯分布 均值为“、方差为0 2 的循坏对称复高斯分布 x 1 i 第一章绪论 1 1 背景 第一章绪论 在过去2 0 年，无线通信以不可思议的速度从早期的无线传呼、无绳电话和蜂窝 电话发展到今天的个人通信、便携式计算和其它个人通信服务( p c s ) 。移动计算等无 线数据服务的快速增长推动了数据速率为6 4 1 4 4 k b s 范围的广域微蜂窝应用、高移动 速度的应用，以及速率为2 m b s 的室内低移动无线应用。除了前述移动应用，还有为 固定无线接入技术提供的高质量电话、高速网络地址、多媒体以及其它通过无线链路 的家庭宽带服务【1 1 。这些商用无线应用对当代商业世界和人们的r 常生活产生了很大 的影响。无线服务的增长和需求对当前从有线i n t e r n c t 网络到无线系统的延扩产生了 很明显的作用。这些演化又将推动无线通信技术的进一步发展，使得提高无线通信系 统的容量和服务质量成为研究热点。 传统的无线通信系统是采用单一发射天线和单一接收天线的通信系统，即所谓的 s i s o 天线系统。s i s o 天线系统在信道容量上具有一个通信上不可突破的瓶颈 s h a n n o n 容量限制。不管采用何种调制技术、编码策略或其他方法，无线信道总是 给无线通信作了一个实际的物理限制。这一点在当前无线通信市场中形势尤为严峻， 因为用户对更高的数据率的需求是非常迫切的【2 】，必须进一步提高无线通信系统的容 量。可以实现这个目标的方法有很多，如加大系统发射功率、设置更多的基站、拓宽 带宽和提高频谱利用效率等。加大系统发射功率姑且不论可能引起人的健康状况的变 化，对硬件设计者来说也是非常困难的，因为功率放大器件在大功率区域下的线性工 作特性是很难设计的。另外，散热及发射功率的加大所引起的功率消耗也是移动终端 要考虑的问题。增设基站意味着采用更多的蜂窝，这是提高容量代价最大的办法。由 于目前的实际无线应用市场仍是在u m t s 和w l a n 之间，是微波频带( u m t s 大约为 2 g h z ，w l a n 技术的s i m 频带为2 - s g h z ) ，加大带宽，如利用毫米波频带，就会导 致与现行系统具有非常大的兼容性问题，其代价也是很昂贵的，因此更高频段的使用 在近期内不是提高无线通信系统容量的最佳方法1 3 】。 目前在众多的信号处理技术中，最引人注目的是m i m o 技术，研究表明在多径环 境中，采用收发多天线空时编码系统( m i m o 系统) 在不增加信号带宽及发射功率的前 提下可以使频谱效率得以成倍提高，从而提高信道容量。因此，多输入多输出( m i m o ) 技术将是新一代无线通信的关键技术之一。下面简单介绍m i m o 技术及其优点。 北京化工大学硕1 ：学位论文 1 2m i m o 技术及其优点 为了满足未来移动通信系统大容量、高速率的需求，提高频谱利用率，m i m o 系 统的概念应运而生。 1 2 1m i m o 技术简介 多输入多输出( m i m o ) 技术是无线移动通信领域出现的具有革命意义的重大技术 进步，被认为是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现高数据速率、提高传输质 量的重要途径【4 】。该技术由于有望解决未来无线互连网的业务容量需求瓶颈问题，而 居于当今技术进步列表中的显要位置。 上个世纪9 0 年代中期a t & tb e l l 实验室学者完成了对无线移动通信系统多输入 多输出技术产生巨大推动作用的奠基工作。1 9 9 5 年，b e l l 实验室的t e l a t a r 等人在基 于r a y l e i g h 衰落、信道有大量的散射体、信道系数无关、最优编解码、发射端信道信 息在接收端准确可知的假设下，从理论上证明了接收和发送端均使用多天线( m i m 0 1 可以使通信链路容量成倍增加的结果，即在m 根发射天线、n 根接收天线的m i m o 系统中，信道容量将随m i n m ，n 】线性增加【5 1 。1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出了一种m i m o 处 理算法一对角贝尔实验室分层空时( d b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k n 等讨论了用于 m i m o 系统的空时码；1 9 9 8 年w o n l i n n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时 ( v - b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 的实验系统，在室内试验中达到了2 0 b p s h z 以上 的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中较难实现。这一振奋人心的结果提供了 在衰落信道中提高系统容量和通信可靠性的一种新技术手段，引发了m i m o 技术的研 究浪潮。 总之，m i m o 系统方案能够在多径环境下保持高频谱效率、大幅度提高信号传送 质量。所以它是新一代无线通信最值得期待的技术之一。 1 2 2m i m o 技术的工作原理 m i m o 是指在通信链路的发送端与接收端均使用多个天线元的传输系统，其工作 原理如图1 1 所示。输入的串行码流通过某种方式( 编码、调制、加权、映射) 转换成 几路并行的独立子码流，通过不同的发射天线发送出去。不同的子码流同时同频带的 发送，接收方利用不少于发送天线数目的天线组进行接收，并利用估计出的信道传输 特性与发送子码流问一定的编码关系对多路接收信号进行空间域与时间域上的处理， 从而分离出几路发送子码流，再转换成串行数据输出。m i m o 将信道视为若干并行的 子信道，在不需要额外带宽的情况下实现近距离的频谱资源重复利用( 多根发射天线近 2 第一二章m i m o 无线信道特征 距离同频、同时传输) ，理论上可以极大地扩展频带利用率、提高无线传输速率，同时 还增强了通信系统的抗干扰、抗衰落性能。 t x a n t e n n af o rt r a n s m i t t i n g c h a n n e lr e p l y a n t e n n af o rr e c e i v i n g 1 2 3m i m o 技术的优点 图1 - 1m i m o 系统模型 f i g 1 - 1m i m os y s t e mm o d e l a 乃 矗j m i m o 技术是一种通过多天线的配置充分利用信号的空间资源，有效提高衰落信 道容量的方法。上世纪四十年代末贝尔实验室提出蜂窝概念，并在七十年代进行了实 用化，研制成功世界上第一个蜂窝移动通信系统a m p s 。后来，研究人员又进一步提 出了微小区、微微小区等小区分裂的概念并成功进行了实用化，应用到了g s m 、c d m 系统中。以进一步提高系统的容量，并通过空间分集以提高接收性能，但由于小区不 能一味地分裂下去，小区分裂的思想在大容量的要求条件下就变得不可行了。而利用 空间发送分集技术来提高容量的智能天线、m i s o 、m i m o 等各种空时联合处理技术 则足进一步提高系统容量和频谱效率的有效措施。 系统容量指通信系统在一定信噪比条件下所能达到的最大传输速率，是衡量通信 系统的重要指标之一。对于m 发收的m i m o 系统，假定信道为独立的r a y l e i g h 衰 落，则系统的容量可以表示为【6 】： ， c = l o g2 d e t ( i j v + 号册爿) ( b p s h z ) ( 1 1 ) 坦 其中，p 是接收端平均信噪比，h = ( 。) 。m ，h 是信道矩阵，其元素h 。是从发 射天线m 到接收天线n 之间的信道衰落系数。 当m ，很大时，则信道容量c 近似为： c = m i n m ，n l o g2 ( p 2 ) ( 1 2 ) 其中p 为接收端平均信噪比。可以看出，m i m o 系统的信道容量随着天线数量的 北京化工犬学硕。i ：学位论义 增大而线性增大。也就是说m i m o 技术可以成倍地提高无线信道容量。在不增加带宽 和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 图1 2 是引用的几种不同系统的信道容量随信噪比变化的仿真图【7 1 。显而易见， 多输入多输出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。 时问和频率都是一维的资源，而空问是三维的资源，如果对信号的空间资源加以 充分利用，则潜力是巨大的。从移动通信的发展过程可以看出，m i m o 技术的出现是 人们对空间资源逐步开发利用的必然结果。 简言之，m i m o 技术的优点主要是通过多天线的配置来充分利用信号的空间资源， 从而达到提高系统容量的目的。在无线频谱资源紧缺的条件下，无疑m i m o 技术是提 高频谱利用率和数据传输速率的有效方法之一。 霄 薹 薯 毫 啊 鬻 筹 参 图1 2 几种典型系统的信道容量仿真图 f i g 1 - 2 s y s t e mc h a n n e lc a p a c i t ys i m u l a t i o nf i g u r e 1 3 无线m i m o 技术的研究和应用概况 1 3 1m i m o 技术的研究现状 信息论预示了无线m i m o 系统具有潜在的巨大的信道容量。因此，目前全球有许 多学术机构和大公司正在对m i m o 技术展开更深入的研究。最近t i u 和3 g p p 已着手 制定在3 g 和b 3 g 的移动通信中使用m i m o 技术的有关标准【8 】。对于3 g ，m i m o 及 其相关的技术可以看成是用于提高数据流量、系统性能和频谱效率方面的有力补充。 在3 g 中，除了使用纯发射分集的解决方案( m i s o ) 夕f 没有使用m | m o 技术。几年前， 朗迅( l u c e n t ) 通信技术公司已做过了m i m o 系统的早期实验【9 】，并于前年成功地测试 4 第二章m i m o 无线信道特征 了两款b l a s t 芯片，芯片的最高速度达到了1 9 2 m b p s ，而且b l a s t 研究小组最近 取得了以前难以想象的无线频谱效率：2 0 4 0 b p s h z ，比较而言，使用传统的无线调 制技术，对于蜂窝移动通信系统取得的频谱效率为：1 5b p s h z ，对于点对点的微波 通信系统取得的频谱效率为：1 0 1 2 b p s h z ，而且在3 0 k h z 的带宽内，b e l l 实验室在 上述的频谱效率上实现了0 5 m b p s 一1 m b p s 的有效载荷数据速率，而使用传统的技术， 在该带宽内取得的数据速率仅为5 0 k b p s 1 0 】。 1 3 2m i m o 技术研究中急需解决的问题 自从t e l a t a r 和f o s c h i n i 在无线m i m o 系统中做出了开创性的工作以来，目前在 蜂窝无线系统、固定接入系统方面，已提出了各种实验性的m i m o 系统【1 1 1 ，尽管在 这方面己取得了较大的进展，但是还有许多实际问题需要解决，这些问题主要包括以 下几个方面： ( 1 ) 基站天线的配置。室内m i m o 系统基站天线的位置，天线的类型，天线参数， 如基站天线的方向系数和波瓣方向等是现今研究的一个热点。 ( 2 ) 接收机的复杂性。m i m o 接收机与单天线接收机相比，复杂性明显要增加，具体 表现在： 由于多用户、多天线的存在，消除空间干扰的空时合并器和信号检测器的设计变 得异常复杂。 由于m i m o 接收机受周围环境的散射影响，存在角度扩展和延时扩展，在均衡和 干扰对消方面需要增加一些附加的处理。 m i m o 信道估计也要导致复杂性的增加，因为整个信道矩阵的每一条路径延时都 需要及时跟踪和更新，而不是只跟踪和更新单个系数。 ( 3 ) 天线的数量和间距。天线的数量和各天线之间