无线通信系统中的MIMO技术.docx

无线通信系统中的MIMO技术所谓的MIMO（多入多出），就是指无线网络信号通过多重天线进行同步收发，MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，这样可以提高传输率。更确切地说就是信号通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送。由于无线信号在传送的过程当中为了避免发生干扰，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。为了避免被切割的信号不一致而无法重新组合，接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的各信号重新组合，并且快速正确地还原出原来信号。MIMO技术与OFDM技术相结合被视为下一代高速无线局域网的核心技术。本文全面叙述了MIMOOFDM技术及其特点，分析了MIMOOFDM技术在无线局域网中的应用，探讨了MIMOOFDM中的关键技术，并展望了其发展前景。1.摘要MIMO系统是一项运用于802.11n的核心技术。802.11n是IEEE继802.11bag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系统，MIMO还可以包括SIMO系统和MISO系统。反馈的信道信息既可以提高单链路的传输性能，也可以优化多用户之间的调度问题。我们给出了几种在未来无线通信系统中可能采用的闭环MIMO方案，包括基于SVD分解和基于码本的预编码技术，分析并比较了它们的性能。仿真结果表明，闭环MIMO技术将有效地提高通信系统的性能。2.重大里程2002年10月世界上第一颗BLAST芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，贝尔实验室研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了贝尔实验室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技术的芯片，这一芯片支持最高44的天线布局，可处理的最高数据速率达到19.2Mbps。该技术用于移动通信，BLAST芯片使终端能够在3G移动网络中接收每秒19.2兆比特的数据，现在，朗讯科技已经开始将此BLAST芯片应用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同时还计划授权终端制造商使用该BLAST芯片，以提高无线3G数据终端支持高速数据接入的能力。 2003年8月AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi芯片组，并称其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技术的批量上市产品。AGN100使用该公司的多天线传输和接收技术，将现在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同时保持与所有常用Wi-Fi标准的兼容性。该产品集成两片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一种可伸缩结构，使制造商可以只使用一片RF芯片实现单天线系统，或增加其他RF芯片提升性能。该芯片支持所有的802.11 a、b和g模式，包含IEEE 802.11工作组推出最新标准(包括TGi安全和TGe质量的服务功能)。 Airgo的芯片组和目前的Wi-Fi标准兼容，支持802.11a, b,和g模式，使用三个5-GHz和三个2.4-GHz天线，使用Airgo芯片组的无线设备可以和以前的802.11设备通讯，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a设备通讯的同时还可以以108Mbps的速度和Airgo的设备通讯。3.引言无线通信作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越大。近年来，无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能、速度与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高无线网络的性能和容量日益显得重要。目前，IEEE802.11已成为无线局域网的主流标准。1997年802.11标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。其定义了单一的MAC层和多样的物理层，先后又推出了802.1lb，a和g物理层标准。802.1lb使用了CCK调制技术来提高数据传输速率，最高可达11Mbit/s。但是传输速率超过11Mbit/s，CCK为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。因此，802.1l工作组为了推动无线局域网的发展，又引入0FDM调制技术。802.1lg标准采用OFDM技术，和802.1la一样数据传输速率可达54Mbit/s。另外，IEEE802.1la运行在5GHz的UNII频段上，采用OFDM技术。但是，它不能兼容IEEE802.11b的产品，对于现在市场上占统治地位的IEEE802.11b来说，不能兼容就意味着推广存在着巨大的困难；其次，由于无线电波传输的特性，在5GHz上运行的IEEE802.1la覆盖范围相对较小。IEEE802.11g工作在2.4GHz频段上，能够与802.1lb的WIFI系统互相连通，共存在同一AP的网络里，保障了后向兼容性。这样原有的WLAN系统可以平滑地向高速无线局域网过渡，延长了IEEE802.1lb产品的使用寿命，降低用户的投资。而对于今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说，最高为54Mbit/s的数据速率还远远不够。去年公布的IEEE802.1ln方案草案，以制定一项新的高速无线局域网标准802.11n。802.1ln采用了MIM00FDM技术，计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.1lg的54Mbit/s增加至108Mbit/s以上，最高速率可达320Mbit/s，成为802.1lb、802.11a、802.11g之后的另一场重头戏。采用多个发射和接收天线的多入多出（MIMO）技术是下一代无线通信的关键技术之一，它能有效利用随机衰落和可能存在的多径传播来提高传输速率。3G-LTE和WiMAX系统都采用了MIMO技术来提高其性能，IEEE802.16e和WCDMA的产品已经实现了MIMO系统的功能。MIMO系统的发射方案主要分为两种类型：最大化传输速率的空间复用方案（Spatial Multiplexing，SM）和最大化分集增益的空时编码方案（Space-Time Coding，STC）。空间复用主要通过在不同天线发射相互独立的信号实现空间复用，如BLAST算法。空时编码如STBC和STTC空时算法等，可获得分集增益，但不能提高数据速率。以上两种方案的发射端都不需要信道信息（CSI），称之为开环MIMO系统。在信道变化较慢的场合，如大城市的室内环境和游牧式的接入服务，闭环MIMO系统能够进一步提升系统性能。闭环MIMO系统是接收端将信道信息反馈给发射端，然后对传输数据进行预编码、波束成型或者天线选择等操作。闭环MIMO的反馈方式又可以分为全反馈和部分反馈等。全反馈是将全部信道信息反馈给发射端，由于反馈链路要占用系统开销，在实际系统中，一般都采用部分反馈技术。例如反馈信道的统计特征值、SVD分解值、基于码本的码字序号等，实现性能和复杂度的权衡。在移动通信系统中，多径及多径时延扩展是移动通信中存在的主要问题。多径传播将导致信号严重衰落，时延扩展导致符号间干扰，这将会严重地影响通信链路的质量。为了克服无线信道中的衰落，OFDM技术也被引入下一代无线通信系统中，和MIMO技术相结合，组成下一代无线通信技术的物理层核心技术。本文主要讨论闭环MIMO技术，我们给出基于SVD分解的和基于码本的典型预编码方案，然后比较其复杂度和性能，最后给出仿真结果并讨论其在下一代无线通信网络中的应用。4.系统模型具有Nt个发射天线和Nr个接收天线的MIMO系统模型可表示：y=Hs+n (1)其中yCNr1，sCNt1和nCNr1分别表示接收符号、发射符号和和加性高斯噪声序列，HCNrNt为信道矩阵。若发射端已知信道H的信息，可以对信道进行预编码（波束成形），以获得更好的传输性能。信道信息可由接收端反馈或者发送训练序列到发射端获得。这就是闭环MIMO系统。 闭环MIMO系统的发射端的预编码处理是通过预编码矩阵P和发射数据相乘来实现： y=HPs+n=（HP）-1y （2）当发射端可以获得准确的信道信息时，最佳的传输方式可以通过信道矩阵的奇异值（SVD）分解来获得m（mmin（Nt，Nr）个独立的并行子信道，并利用注水原理进行信息分配。这时系统可以表示为：D=d1，d2，dmr=UHy=UH（HVs+n）=UH（UDVH）Vs+UHn=Ds+UHnr=Ds+UHn=D-1r （3）其中，U和V分别是接收端和发射端的预处理矩阵，D是信道H的奇异值矩阵，U和V为酉矩阵，D为对角矩阵。5.闭环MIMO技术分析5.1 基于码本的预编码技术在实际通信系统中，反馈信道信息会占用较多的资源，而且在快衰落信道中，对反馈信息的效率和准确度要求较高，这时采用部分反馈的方法较为合适。最典型的部分反馈方案包括：基于码本的预编码，基于统计量的预编码等。接收端收到训练序列之后，从一系列的码字集中搜索出来的最佳的预编码矩阵，并将其序号和信道信噪比信息反馈给发射端。码本的构造和选择是预编码技术的首要问题。码本是对最优预编码矩阵的一个量化，码本的大小和各码字之间的距离影响预编码的性能。典型的码本构造包括Grassmannian方法和正交码字构造法。前者是根据决定Grassmannian流形来使得任意两个码字之间的欧氏距离最大，后者是利用正交矩阵进行构造，如FFT，DCT和Harmard矩阵等。前者属于非规则码字，两个码字之间有干扰，而后者任意两个码字之间相互正交。5.2 基于SVD分解的预编码技术SVD分解相当于通过虚拟的m（mmin（Nt，Nr）个子信道传输数据。原理如公式（3）所示。这时反馈信息较多，包括V矩阵信息和信噪比等。当天线数较多时，反馈量较大。5.3 多用户系统的预编码技术随着MIMO技术的成熟，多用户MIMO技术也将应用于实际的无线通信系统。典型的应用如多个接收天线的移动台的多用户分集传输和多用户检测等，使系统的吞吐量最大化。预编码（波束成形）方法会选择最高SNR的用户，并使得不同用户之间的干扰最小。和点对点的系统相比，这时基站端不仅要处理不同移动台反馈的信道信息，还要对不同用户之间的预编码进行矩阵匹配，以获得最佳的数据传输。以上这些根据信道信息采用的预编码（波束成形）方案，其发射和接收机制的优化准则包括：（1）信道信息（CSI）的误差；（2）反馈信息（码本）的设计；（3）反馈信息的优化策略（码本的选择）。6.仿真结果下面给出一些预编码方案的仿真结果，用以验证预编码的效果。我们采用ITU信道模型（步行A，3km/h），设发射天线数为2，接收天线数为2，调制方式为64QAM，采用1/2卷积编码。发射天线和接收天线的相关系数分别为0.2和0，信道为平衰落Rayleigh信道模型，假设各天线间信道相互独立。基于无反馈STC空时编码、SVD的预编码反馈和理想反馈的误包率曲线如图4所示。从图中可以看出，闭环MIMO系统要优于开环系统，基于SVD的与编码系统要优于有码本的预编码系统。7.结束语 1990年代，全世界无线通信领域均针对多天线系统进行研究，希望实作出能指向接收者之波束成型技术，亦即是所谓智慧型天线 一种能使波束聪明地追踪接收者（即移动电话）的技术，如同有个人持着天线到处移动，就像一道自手电筒射出的光束可追踪一位在黑暗中移动的人一样。智慧型天线借由波束对其指向（亦即对目标接收者）的相长干涉及同时间该波束对目标接收者指向以外其他方向之相消干涉来增加信号增益，以实现上述智慧型天线的优点，并对于此发送单位上的多天线间，采用一较窄的天线间距来实作此波束。一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距，以满足空间上的采样定理且避免旁瓣辐射，亦即空间上的混叠。 波束成型技术的缺点乃是在都市的环境中，信号容易朝向建筑物或移动的车辆等目标分散，因而模糊其波束的集中特性（即相长干涉），丧失多数的信号增益及减少干扰的特性。然而此项缺点却随着空间分集及空间多工的技术在 1990 年代末的发展，而突然转变为优势。这些方法利用多径现象来增加资料吞吐量、传送距离，或减少比特错误率。这些型态的系统在选择实体的天线间距时，通常以大于被发送信号的波长的距离为实作，以确保 MIMO 频道间的低关联性及高分集阶数。从以上讨论和仿真结果可以看出，闭环MIMO技术是未来移动通信中一种很有潜力的技术。随着MIMO技术在蜂窝网中的应用越来越成熟，关于MIMO技术