MIMO技术及其应用研究

1、mimo技术及其应用研究信息工程系郭振民摘要：在无线通信中，受多径干扰的影响，传输信号有较大的失真。采用空间分 集技术，通过使用多个发送天线和多个接收天线，可以在一定程度上保证传输的 信号质量。技术研究和分析表明无线移动通信领域智能天线的重大突破就是mimo 技术，它能在不增加带宽的情况下成倍地捉高通信系统的容量和频谱利用率，是 下一代移动通信系统中最富有竞争力的技术之一。文中给出了多输入多输出 (m1mo)技术的概念，分析了 m1mo系统的容量和m1mo-ofdm系统的组合结构。关键词：空间分集，多输入多输出技术，正交频分复用技术1引言多输入多输出技术(multiple-input mult

2、iple-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，可以成倍的捉高系 统信道容量，显示岀明显的优势，被视为下一代移动通信的核心技术。ofdm作为多载波调制技术具冇频谱利用率高、抗选择性衰落能力强等突出的 优点，具有广阔的应用前景，被认为是第四代移动通信的支柱技术。如何使二者 优势互补，有效整合，便成为国内外学者广泛关注的热点。本文介绍了 m1mo技术 的概念，分析了系统容量，给出了 mimo技术与ofd

3、m技术有效整合的实用方案， 这些研究对促进移动通信技术的发展冇一定指导意义。2 m1mo系统原理mimo系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个通道，如图2. 1所示。接收天线c.(k) r】(k)cm (k) rn (k)图2. 1 mimo系统原理t1空时信1编11 / 1码宿r (2. 1)传输信息流s (k)经过空吋编码形成个信息子流c"),心1,2,m ,这m 个子流由必个天线发送出去，经空间信道后由川个接收天线接收，多天线接收机 能够利用先进的空时编码处理技术分开并解码这些数据子流，从而实现最佳处理。 mimo是在收发两端使用多个天线，每个收发天线之间对应一个mimo子信

4、道，在收 发天线z间形成mxn信道矩阵h,在某一时刻t,信道矩阵为：比心扯2氐帀2 心心其屮h的元素是任意一对收发天线之间的增益。m个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一个频带，因而并未增加带宽。 若各发射天线间的通道响应独立，则mimo系统可以创造多个并行空间信道。通过 这些并行的信道独立传输信息，必然可以提高数据传输速率。对于信道矩阵参数 确定的mimo信道，假定发射端总的发射功率为p,与发送天线的数量m无关；接收 端的噪声用nx 1矩阵表示，其元素是独立的零均值高斯复数变量，各个接收天线的噪声功率均为"2； p为接地端平均信噪比。此时，发射信号是m维统计独立，能 量相同，高斯

5、分布的复向量。发射功率平均分配到每一个天线上，则容量公式为:c = log2det(/ +-hhh)(2. 2)mi占i定n,令m增大，使得hhhzv,这时可以获得到容量的近似表达式：mc = log2(l + p)(2.3)det代表行列式，in代表m维单位矩阵，呼表示ii的共扼转置。从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数的增加而线性增大。即可以利 用mimo信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发射功率的情况f, 频谱利用率可以成倍地捉高，充分展现了 m1mo技术的巨大优越性。3 m1mo技术的应用方案前面分析指出mimo技术优势明显，但对频率选择性衰落无能为力，而ofdm 技术

6、却冇很强的抗频率选择性衰落的能力。因此将两种技术冇效整合，便成为最 佳的实用方案，如图3.1所示。图3. 1 mimo+ofdm实现框图在本方案中，数据应进行两次审并转换，首先将数据分成n个并行数据流， 将这n个数据流中的第n (nw 1, n)个数据流进行第二次串并转换成l个并行 数据流，分别对应l个了载波，接着对这l个并行数据流进行ifft变换，再将信 号从频域转换到时域，然后从第n (nel, n)个天线上发送出去。这样共冇nl 个m-qam(.le交振幅调制)符号被发送。整个mimo系统假定具有n个发送天线，m 个接收天线。在接收端第m (mel, m)个天线接收到的第1 (lel,

7、l)个子 载波的接收信号为：n十叽 (1二1,丄)(3.1)?j=1其小hg是第1个子载波频率上的从第n个发送天线到第m个接收天线之间 的信道矩阵，并且假定该信道矩阵在接收端是已知的，是第1个了载 波频率上的从第n个发送天线发送的符号，rjml是第1个子载波频率上的从第m个 接收天线接收到的高斯白噪声。这样在接收端接收到的第1个子载波频率上的n 个符号可以通过-blast算法进行解译码，重复进行l次以后，nl个m-qam符号 就可以被恢复出来。mtmo ofdm系统，通过在ofdm传输系统中采用天线阵列來实现空间分集，以 提高信号质量，是mimo与ofdm相结合而产生的一种新技术。它釆用了时间

8、、频 率结合空间三种分集方法，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。深 刻揭示了 mimo-ofdm系统的技术原理与理论基础。图3. 2、3. 3分别为mimo ofdm系统的发射与接收方案原理框图。从图中可以 看出，mimo+ofdm系统有v个发送天线和m个接收大线，在发送端和接收端设置 多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰 当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。输入的比特流经串/并 变换分为多个分支，每个分支都进行ofdm处理，即经过编码、交织、正交振幅调 制映射、插入导频信号、离散逆傅立叶变换、加循环前缀等过程，再经天线发送 到无线信

9、道屮。接收端进行与发送端相反的信号处理过程，例如：去除循环前缀、 离散傅立叶变换、解码等，同时进行信道估计、定时、同步、mimo检测等，以恢复出原来的比特流。图3. 2 mimo-ofdm系统的发送方案4结论mimo和ofdm技术在各口的领域都具有显著的优势，发挥着巨大的作用，如今 将二者结合并应用到下一代无线移动通信局域网屮，正在成为无线通信的一个研 究热点。二者的结合势必使无线局域网向着更高的速率、更大的容量、更好的性 能的方向发展，必将促进移动通信技术实现新的跨越。图3. 3 mtmo-ofdm系统的接收方案参考文献1 赵亚男，张禄林，吴伟陵.mimo技术的发展与应用.电视技术j, 2005, (1) :7112 任立刚，宋梅，祁松楠，等.移动通信技术j 现代电信技术，2004, (1)： 42453 梁红玉,吴伟陵.mim0系统的信道容量技术交流j, 2003, (2)： 60614 g. j. foschini&m.