MIMO系统的结构和设计-中文含6文献版

1、 通信与信息工程学院MIMO系统的结构和设计之课程设计（综合实验）MIMO系统的结构和设计摘要:未来的新一代移动通信系统(4G)需要极高的数据速率，在有限的频谱下提供尽可能高的传输速率，这就需要采用高频谱利用率技术。在理想情况下，多进多出(MIMO)技术可以随着天线数目的增大而线性增大信道容量，具有极高的频谱利用率技术，是未来移动通信系统中最富有竞争力的技术之一。阐述了MIMO技术的基本原理，并在此基础上对MIMO系统的信道容量以及阵列增益等性能做出了深入分析和推导。并介绍了MIMO技术中的空间复用和分集。给出了MIMO技术的研究方向。关键词：移动通信，MIMO,4G，信道容量，阵列增益，空间

2、复用，空间分集。TheStructureandDesignofMIMOSystemZHAOWenjie,ZHUXinghao,WANGYongfeng,LIQi,ANBohui(XUSTtelecommunicationandInformationEngineering)Abstract:Thenextgenerationmobilecommunication,4Gcalled,willsupportveryhighdatatransmissionrate.Itsnecessarytointroducetechnologywithhighfrequencyutilizationinlimite

3、dfrequencyspectrum.MIMOisatechnologytoincreasechannelcapacitywithaddingmoreantennasandhasveryhighspectrumutilization.Itsoneofthemostcompetitivetechnologiesinfuturemobilecommunications.ThisthesisintroducebasictheoryaboutMIMOandmakedeepanalyzeanddeductaboutthechannelcapacityandarraygain.Alsodiscussedt

4、hekeytechniquesofMIMOanddescribeditsdevelopingtrendinfuture.KeyWord：mobilecommunication，MIMO，LTE，channelcapacity，arraygain，spacediversity,spacemultiplexingMIMO概述未来的无线通信系统对传输的最高速率和容量都提出了更高的要求，如何用有限的无限频谱来满足日益增长的通信需求就成为一个重要课题。早在1948年Shannon就已经在文献i中给出了SISO系统信道容量的上限：C=Blog2(1+S/N)。频谱效率上限为C/B=log2(1+S/N)。

5、对于这种单入单出SISO系统，无论采用多么先进的调制和编码方式，都只能使系统信道容量接近这个上限，而不可能超越他。随着Turbo码和LDPC编码技术的成熟和实用化，实际系统基本上逼近了香农的信道容量极限。在新一代移动通系统中，人们对传输速率提出了更高的要求，这提出了在频谱资源有限的前提下支持高速率的要求。研究表明MIM0技术可以满足要求。MIM0技术在室内传播环境下频谱效率可以达到20-40bit/s/Hz,远远超过传统无线通信中的1-5bit/s/Hz与微波传输中的10-12bit/s/Hz。多入多出(MIMO)最早提出于1908年，它利用多天线抑制信道衰落。MIM0技术是指在发射端和接收端

6、使用多个发射天线和接收天线MIM0技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用户通信有利的因素MIM0技术有效利用了随即衰落和可能存在的多径传播来成倍提高业务传输速率MIM0技术的成功之处主要在于它能在不增加信号额外带宽的前提下带来无线通信性能上几个数量级的提升。这促进了信道模型、信息论与编码、信号处理、天线设计及固定/无线多天线蜂窝的设计。贝尔实验室的E.Talater2和G.J.Foschini?分别独立在各自的论文中论证了理论MIMO信道的香农容量。他们指出使用NtXNr信道矩阵描述Nt根发射天线和Nr根接收天线系统的无线信道，且该矩阵元素间具有理想的独立衰落，系统容量将会

7、随发射端和接收端天线数中较小一方min(Nt,Nr)的增加而线性增加。这可以在SISO的基础上成倍增加系统容量。根据MIMO系统的定义可以得知基于发射分集和接受分集的多进单出(MISO)方式和单进多出(SIMO)方式也是MIMO的一部分。二、MIMO系统中的极限容量对于SIMO系统ShannonC.E.AmathematicaltheoryofcommunicationJ.BellSystemTechnicalJournal,1948(27):379-429.TelatarE.CapacityofMulti-antennaGaussianChannelsJ.EuropeanTransTel.,

8、1999,10(5):585-595.FoschiniG.J,GansM.J.OnLimitsofWirelessCommunicationsinFadingEnvironmentwhenUsingMultipleAntennasJ.WirelessPersonalCommunications,1998(6):311-334.其中，Pt是发送的总功率，Cn是噪声功率。由极限容量公式可以看出，信道容量会随着接收天线数呈对数增加。二）对于MISO系统采用单天线接收，发送的天线数目为2的结构，即叫=2。在发送端采用闭环发送分此时极限容量可以表示为集技术，接收信号其中，Pt.是发送的总功率，Cn是噪声

9、功率。由极限容量公式可以看出，信道容量也会随着发送天线数呈对数增加。三）对于MIMO系统y=发送天姚1接收天线1摄收天线2采用单天线接收，发送的天线数目为2的结构，即弘=2。在发送端采用闭环发送分，此时极限容量可以表示为集技术，接收信号其中，Pt是发送的总功率，血是噪声功率。由极限容量公式可以看出，信道容量也会随着发送天线数呈对数增加。三、MIMO系统中的技术MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。（一）空间复用技术空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一

10、频带上使用多个数据通道（MIMO子信道）发射信号，从而使得容量随天线数量的增加而线性增加。这种信号容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的一种非常有效的手段。空间复用，首先将需要传送的信号经过串并转换成几个平行的信号流，在同频带中多天线同时发送。数据流经过脉冲形成，并调制。由于多径传播，每一副发射天线对接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号不同来区分各自的数据流。实现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离。即要求发和接受天线间距大于相关距离（通常为）10个信号波长以上。这样才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。对于空间

11、复用而言，BLAST是一种可以实现空间复用增益的算法。1998年由Foschini和G.Golden提出V-BLAST算法。V-BLAST算法不是对所有的发送信号一起解码，而是首先对最强的信号解码，然后在接收到的信号中减去这个最强的信号，再对剩余信号中的最强信号解码，再减去这个信号，这样一次进行，直到所有的信号都被译出来。V-BLAST算法是算法复杂度和译码性能综合考虑下一种最优的译码算法。（二）发送分集和接收分集空间分集技术可以分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为SIMO系统是接收分集，MISO系统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生Rayleigh衰落，在不同空间位置上其衰落

12、特性不同。如果两个位置间距大于天线之间的相关距离（通常相隔十个信号波长以上）就认为两处的信号完全不相关，这样就可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副或者多副大于相关距离的天线同时接收信号，然后在基带处理中将多路信号合并。在SIMO系统中的接收分集技术可以分成最大比率合并（MRC）、等增益合并（EGC）和选择分集合并（SDC）三种类型。在最大比率合并的接收中，每一副天线的输出用一个复数加权，然后相加；等增益合并接收使各副天线的输出信号保持同相，然后相加。选择分集合并接收中，简单地选择众多信号中的一个质量最好的天线的信号，并使用该信号作为接收到的信号。由于最大比率合并之后信号的信噪比等于合并

13、之前各支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。发射分集就是将分集的负担从终端转移到基站端，然而采用发射分集的主要问题是在发射端不知道衰落信道的信道状态信息（CSI）。因此必须采用信道编码以保证各信道具有良好的性能，具体是采用空时编码4。空时编码是信道编码设计和多发射天线的结合，由AT&T实验室的Tarokh等人提出。空时码在将数据分成N个数据子流在N副天线上同时发射时，建立了空间分离信号（空域）和时间分离信号（时域）之间的关系,而且在采用最大比率接收合并技术接收时，这些空时码方案可以获得相同的分集增益。除了分集增益以外，好的空时码还可以获得一定的编码增益。S.MAlamouti.Asimple

14、transmitdiversitytechnologyforwirelesscommunications.IEEEJ.SelAreasincomm,1998,（10）:14511458基于分集发射的空时码可以分为空时格码(STTC：Space-TimeTrellisCode)和空时块码(STBC:Space-TimeBlockCode)。空间格码具有较好的性能，但其译码复杂度与传输速率成指数关系，实现难度较大。S.M.Alamouti在文献中论证了通过一定的信道编码可以将1X2的接受分集增益，转换成2X1的发射分集增益而不会损失分集增益，这可以认为是空时块码的原始模型。在这个基础上Tarokh

15、提出了空时块码，正交设计理论的空时块码性能稍逊于空时格码，但其译码复杂度低，还可能得到最大的分集发射增益。接收端通常需要知道各无线信道的参数，即信道估计，可以使用基于导频训练序列进行信道估计，也可以使用盲估计。四、MIMO系统的性能增益MIMO系统性能上的增益，主要包括功率增益、阵列增益、分集增益和空间复用增益。(一)功率增益功率增益是指发射端通过增加发射功率获得的增益。当采用多天线发射时，由于有N个发射通道，因此发射的总功率相当于单天线发射的N倍，此时在接收端的SNR可以获得10lg(N)dB的增益。在单天线发射时也可以增加发射功率，但此时对功放的要求会提高。由于单个功放的成本与功率并非线性

16、关系，因此采用多天线发射提高总的发射功率可以更经济地获得功率增益。(二)阵列增益阵列增益是指通过对接受信号的相干合并，或在发送端进行闭环发送，而获得平均SNR的增加。以接收分集为例，如图，单天线发送，两天线接收：显然，如果hl和h2独立同分布，则两天线接收获得了3dB的阵列增益。推而广之，通过闭环发送分集和接收信号的相干合并，Nt根天线的闭环发射分集和N闭环发射分集能获得10lg(NrXNt)dB的阵列增益。分集增益通过接收信号的相关合并，不仅可以增加接收信号的平均SNR,还可以减小衰落信道下接收端SNR的波动。可以用于合并的独立衰落分支数目被定义为分集阶数，分集阶数越高，SNR越平稳，越逼近

17、高斯信道。分集阶数最大可以为发送天线数目与接收天线数目的乘积。空间复用增益空间复用增益可定义为在相同发射功率、相同带宽前提下，对极限容量/传输速率的改善。在信道不相关的前提下，理想的MIMO信道的容量可随着天线数目呈线性增长。应该说，MIMO技术的空间复用增益为无线通信的发展带来了革命性的变化。五、MIMO应用以及展望目前，很多国家都已经开始新一代移动通信系统的商用，新一代移动通信系统可以提供高速率(10-100Mbit/s)的数据业务，因此必须采用一些具有高频谱利用率的技术。MIMO技术具有极高的频谱利用率，而且其提供的空间分集可以显著改善无线链路性能，提高无线系统的容量和覆盖面。因此MIM

18、O技术是未来移动通信中极具竞争力的技术，不但为固定无线接入技术带来了革命性的变化，而且将对无线蜂窝系统产生深远影响。具体应用有以下几方面：为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成MIMO通信链路。应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类：一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区，这一类可以称为集中式MIMO；另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区，可以称为分布式MIMO。MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为

19、多个天线构成的天线阵列。基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行MIMO通信。从系统结构的角度看，这样的MIMO系统与传统的单入单出(SISO)蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。传统蜂窝移动通信系统传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损耗，能够在小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角，提高通信服务质量。最近在MIMO技术的研究中发现，传统的分布式天线系统与MIMO技术相结合可以提高系统容量，这种新的分布式MIMO系统结构分布式无线通信系统(DWCS)成为MIMO技术的重要研究热点。在采用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤和

20、基站处理器相连接。具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信，与基站建立了MIMO通信链路。这样的系统结构不仅具备了传统的分布式天线系统的优势，减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过MIMO技术显著提高了信道容量。与集中式MIMO相比，DWCS的基站天线之间距离较远，不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容量更大。总体上说，分布式MIMO系统的信道容量更大，系统功耗更小，系统覆盖性能更好，系统具有更好的扩展性和灵活性。分布式MIMO的DWCS系统也带来了一些新问题。移动台和小区内邻近的天线建立的MIMO链路，由于基站不同天线的位置不同，它们距离移动台的距离不同，使得基站端的多个天线的信号到达移动台的延时也不同，因此带来新的研究问题。目前在这方面研究较多的是进行容量分析。除此之外的研究内容还包括：具体的同步技术、信道估计、天线选择、发射方案、信号检测技术等，这些问题有待深入研究。当然，MIMO技术在应用中也会存在巨大的挑战：不同MIMO技术的运用及其性能依赖于实际传播特性，对于MIMO信道的建模