mimo技术的发展

论文 MIMO 技术的发展 论文 摘要 摘摘 要要 多入多出 MIMO Multiple Input Multiple Out put 或多发多收天线 MTMRA Multiple Transmit Multiple Receive Antenna 技术是无线移动通 信领域智能天线技术的重大突破 该技术能在不增加带宽的情况下成倍地 提高通信系统的容量和频谱利用率 是新一代移动通信系统必须采用的关 键技术 目前 各国已开始或者计划进行新一代移动通信技术 后 3G 或 者 4G 的研究 争取在未来移动通信领域内占有一席之地 随着技术的 发展 未来移动通信宽带和无线接入融合系统成为当前热门的研究课题 而 MIMO 系统是人们研究较多的方向之一 本文主要研究了 MIMO 无线通信技术的原理 分析了 MIMO 技术的 发展历史 国内外研究现状与发展趋势 最后就 MIMO 技术的应用予以分 析介绍 为深入认识与研究 MIMO 通信技术奠定了基础 关键词 关键词 MIMO 多输入多输出技术 无线移动通信 论文 摘要 ABSTRACT MIMO which is short of Multiple Input Multiple Out put or MTMRA which is short of Multiple Transmit Multiple Receive Antenna is smart Antenna Engineering s major Breakthrough in Wireless Mobile Communication field Such technology can multiply the capacity of communication system and the spectrum efficiency which is the key technology that must be used in the new generation of mobile communication system Currently countries have started or plan the research of the new generation of mobile communications technology 3 G or 4 G to ensure there is a place in the future of mobile communication field With the development of technology the future mobile broadband and wireless access fusion system become the hot research topic and the multiple input multiple output MIMO system is one of the study direction which most people in it This paper mainly studies the principle of MIMO wireless communication technology analyzes the MIMO technology development history the domestic and foreign research present situation and the development tendency finally the MIMO technology application is introduced and analyzed such lay the foundation for furth understanding and research of MIMO communication technology Keywords MIMO Multiple Input Multiple Out put Wireless Mobile Communication 论文 1 1 引言引言 随着移动通信业务规模和种类的迅速发展 如何有效地利用相对贫 乏的频谱资源提供更高质量 更高速率的通信服务成为业界关注的焦点 新一代无线通信技术以其高质量 高速率的移动多媒体传输目标让人耳目 一新 然而 实现这一振奋人心的通信目标并非易事 常规单大线收发通 信系统目前而临着严峻的挑战 即使采用常规发送分集 接收分集或智能 大线技术也已小足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问 题 可庆幸的是 多入多出 MIMO 无线通信技术提供了解决该问题的新 途径 它在无线链路两端均采用多大线 分别同时接收与发送 能够充分 开发空间资源 在无需增加频谱资源和发送功率的情况卜 成倍地提升通 信系统的容量与可靠性 然而 与常规单大线收发通信系统相比 MIMO 通信系统中多大线的应用而临大量亟待研究的问题 从 2001 年 10 月 NTT DoCoMo 开始提供 3G 商用业务以来 一些国家 也陆续准备部署 3G 网络 但与此同时 世界各国也已经开始或者计划开 始新一代移动通信技术的研究 争取在未来移动通信领域内占有一片立席 之地 这里所提到的新一代移动通信是指后 beyond 3 G 或者 4G 日前普 遍认为后 3G 的最高传输速率将超过 100M 能够实现全球无缝漫游 具有非 常高的灵话性 能自适应地进行资源分配 支持下一代 Internet IPv6 而 且是全 IP 网络 当然服务成木低也将是后 3G 的一个重要特征 随着时势 的发展 未来移动通信广带无线移动和无线接入融合系统成为当前热门的 研究课题 而 MIMO 多进多出 系统是人们研究较多的方向之一 2 2 MIMO 技术的概念技术的概念 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 论文 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 技术对于传统的 单天线系统来说 能够大大提高频谱利用率 使得系统能在有限的无线频 带下传输更高速率的数据业务 MIMO 技术大致可以分为两类 发射 接收分集和空间复用 传统的 多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落 具有相同信息的信号通过不 同的路径被发送出去 在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制 品 从而获得更高的接收可靠性 举例来说 在慢瑞利衰落信道中 使用 1 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 平均误差概率可 以减小到 单天线衰落信道的平均误差概率为 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 智能天线技术也是通过不同 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 的提高天线增益 降低用户间的干扰 广义上来说 智能天线技术也可以 算一种天线分集技术 分集技术主要用来对抗信道衰落 相反 MIMO 信道中的衰落特性可 以提供额外的信息来增加通信中的自由度 degrees of freedom 从本质上 来讲 如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的 那么可以产生多个并 行的子信道 如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流 可以提供传 论文 输数据速率 这被称为空间复用 需要特别指出的是在高 SNR 的情况下 传输速率是自由度受限的 此时对于 m 根发射天线 n 根接收天线 并且天 线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的 根据子数据流与天线之间的对应关系 空间多路复用系统大致分为三 种模式 D BLAST V BLAST 以及 T BLAST D BLAST D BLAST 最先由贝尔实验室的 Gerard J Foschini 提出 原始数据被分 为若干子流 每个子流之间分别进行编码 但子流之间不共享信息比特 每一个子流与一根天线相对应 但是这种对应关系周期性改变 如图 1 b 所示 它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状 称为 D BLAST Diagonally BLAST D BLAST 的好处是 使得所有层的数据可 以通过不同的路径发送到接收机端 提高了链路的可靠性 其主要缺点是 由于符号在空间与时间上呈对角线形状 使得一部分空时单元被浪费 或 者增加了传输数据的冗余 如图 1 b 所示 在数据发送开始时 有一部分 空时单元未被填入符号 对应图中右下角空白部分 为了保证 D BLAST 的空时结构 在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费 如果采用 burst 模式的数字通信 并且一个 burst 的长度大于 M 发送天线数目 个发送时间 间隔 那么 burst 的长度越小 这种浪费越严重 它的数据检测需要一层 一层的进行 如图 1 b 所示 先检测 c0 c1 和 c2 然后 a0 a1 和 a2 接 着 b0 b1 和 b2 V BLAST 另外一种简化了的 BLAST 结构同样最先由贝尔实验室提出 它采用 一种直接的天线与层的对应关系 即编码后的第 k 个子流直接送到第 k 根 天线 不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变 如图所示 它的数 据流在时间与空间上为连续的垂直列向量 称为 V BLAST Vertical 论文 BLAST 由于 V BLAST 中数据子流与天线之间只是简单的对应关系 因 此在检测过程中 只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数 据 检测过程简单 考虑到 D BLAST 以及 V BALST 模式的优缺点 一种不同于 D DBLAST 与 V BLAST 的空时编码结构被提出 T BLAST 等文献分别提 及这种结构 它的层在空间与时间上呈螺纹 Threaded 状分布 如图 2 所 示 原始数据流被多路分解为若干子流之后 每个子流被对应的天线发送 出去 并且这种对应关系周期性改变 与 D BLAST 系统不同的是 在发 送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送 而是所有天线均进行发送 使得单从一个发送时间间隔 来看 它的空时分布很像 V BALST 只不过 在不同的时间间隔中 子数据流与天线的对应关系周期性改变 更普通的 T BLAST 结构是这种对应关系不是周期性改变 而是随机改变 这样 T BLAST 不仅可以使得所有子流共享空间信道 而且没有空时单元的浪费 并且可以使用 V BLAST 检测算法进行检测 3 MIMO 技术分类技术分类 MIMO 通信技术包括以下领域 空分复用 partial multiplexing 工作在 MIMO 天线配置下 能够在不增加带宽 的条件下 相比 SISO 系统成倍地提升信息传输速率 从而极大地提高了 频谱利用率 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 如果发 射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同 即能够在时域 和频域之外额外提供空域的维度 使得在不同发射天线上传送的信号之间 能够相互区别 因此接收机能够区分出这些并行的子数据流 而不需付出 论文 额外的频率或者时间资源 空间复用技术在高信噪比条件下能够极大提高 信道容量 并且能够在 开环 即发射端无法获得信道信息的条件下使用 Foschini 等人提出的 贝尔实验室分层空时 BLAST 是典型的空间复用 技术 空间分集 spatial diversity 利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途 径发送相同的资料 以增强资料的传输品质 波束成型 beam forming 借由多根天线产生一个具有指向性的波束 将能量集 中在欲传输的方向 增加信号品质 并减 少与其他用户间的干扰 预编码 precoding 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 4 MIMO 技术发展历史技术发展历史 实际上多进多出 MIMO 技术由来已久 早在 1908 年马可尼就提出 用它来抗衰落 在 70 年代有人提出将多入多出技术用于通信系统 但是 对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是 90 年代 由 AT欧洲 WND FLEX 项目研究空时处理用于 室内 64 100Mbit s 的无线自适应 MODENI 数据速率 20 M b it 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 论文 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 tin e 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 TURI30 编码与 BLA ST 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 己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 Goeokel 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 O FDM 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 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 在国内 科技部对新一代无线通信技术相当重视 已启动的未来通用 无线通信技术研究计划 FUTURE 分为三阶段实施 在第二阶段 2004 1 到 2005 12 B3G 4G 空中接口技术研究达到相对成熟的水平 并进行与之相关的系统总体技术研究 包括与无线自组织网络 游牧无线 论文 接入网络的互联互通技术研究等 完成联网实验和演示业务的开发 建 成具有 B3G 4G 技术特征的演示系统 向 ITU 提交初步的新一代无限通信 体制标准 在第三阶段 2006 1 到 2010 12 完成通用无线环境的体制标 准研究及其系统实用化研究 开展较大规模的现场实验 完成预商用系统 的研制 6 MIMO 技术发展展望技术发展展望 过去的十几年中 MIMO 技术己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 难点也是日前 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 对于己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 一是与 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 论文 复用 OFDM 该系统使用 3 对收发天线 每对收发天线可以实现 54 M b it s 的传输速率 这是日前 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日前都己经开展了新一代移动通信系统的研 究 而 A M Mn 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 40 bit s Hz 这是日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 因此这两种技术己经成为日前 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 MIMO 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十 扰 基于 MIMO 的物理层和 MAC 媒体接入控制 层卞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 7 结束语结束语 为了适应人类社会更广泛的活动和更深远的探索 通信技术止以前所 末有的速度迅速发展 通过广大科技人员的潜心研究和深度开发 无线电 通信这古老而又崭新的技术必将换发出青春活力 以适应末来的人类社会 通信需求 现在无线通信系统需要提供越来越高的数据速率 传统的方式通过高 论文 阶调制和更大的信号带宽来实现 新的方法却通过利用无线系统的传输信 道来提高数据速率 通过使用多天线系统 典型的 MIMO 可以使数据 速率和信道容量有了比较大的提升 因此 MIM 系统已广泛应用于多种移 动通信标准 也成为了未来移动通信标准的必选项目 MIM 技术是一项全 新的技术 在其算法开发 信道建模 大线设计 测试平台搭建 芯片开 发与标准化方而还有大量工作有待进行 尽管如此 我们还是相信 随着 技术的发展和器件工艺的进步提高 MIMO 终将在末来的移动通信系统中 得到广泛应用 总之 MIMO 无线通信技术日趋成熟 逐步从理论研究走向产品开发 其锐小可当的发展趋势已预示着高速无线传输时代的来临 参考文献参考文献 l 任立刚 宋梅 郁松楠 等 移动通信中的 MIMO 技术 j 现代电信科技 2004 1 42 5 2 Telatar E Capacity of multiantenna Caussian channels M A T Bell Lab 1995 3 啜钢 王文博 常永宇 李宗豪 移动通信原理与系统 北京 北京邮电大 学出版社 2005 4 黄韬 袁超伟 杨睿哲 MIMO 相关技术与应用 北京 机械工业出版社 2006 5 罗涛 乐光新 多天线无线通信原理与应用 北京 北京邮电大学出版社 2005 6 Hannes Ekstrom Anders Furuskor Jonas Karlsson Michael Meyer Stefan Parkvall JohanTorsner Mattias Wahlqvist Ericsson Technical Solutions for the 3G Long Term Evolution IEEE Communications Magazine March 2006 7 Andrea Goldsmith Wireless Commumications Cambridge University Press 2005 8 David Tse Pramod Viswanath Cambridge University Press 2004 9 Vahid Tarokh Hamid Jafarkhani and A R Calderbank Space Time Block Codes 论文 from thogonal esigns EEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY VOL45 NO 5 JULY 1999 10 张平 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