| 引言
---隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展,頻譜資源的嚴(yán)重不足已經(jīng)日益成為遏制無(wú)線(xiàn)通信事業(yè)的瓶頸。如何充分開(kāi)發(fā)利用有限的頻譜資源,提高頻譜利用率,是當(dāng)前通信界研究的熱點(diǎn)課題之一。
---多輸入多輸出（MIMO）無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的概念非常簡(jiǎn)單,任何一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng),只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個(gè)天線(xiàn)或者天線(xiàn)陣列,就構(gòu)成了一個(gè)無(wú)線(xiàn)MIMO系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用空時(shí)處理技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理。在多經(jīng)環(huán)境下,該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率,是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)實(shí)質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益,目前針對(duì)MIMO信道所進(jìn)行的研究也主要圍繞這兩個(gè)方面�？臻g復(fù)用技術(shù)可以大大提高信道容量,而空間分集則可以提高信道的可靠性,降低信道誤碼率。
---空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多副天線(xiàn),充分利用空間傳播中的多徑分量,在同一頻帶上使用多個(gè)數(shù)據(jù)通道(MIMO子信道)發(fā)射信號(hào),從而使得容量隨著天線(xiàn)數(shù)量的增加而線(xiàn)性增加。這種信道容量的增加不需要占用額外的帶寬,也不需要消耗額外的發(fā)射功率,因此是提高信道和系統(tǒng)容量一種非常有效的手段。
---空間分集是用來(lái)克服無(wú)線(xiàn)傳輸中的信道衰落的一種技術(shù),以分為接收分集和發(fā)射分集兩類(lèi),通�？梢哉J(rèn)為SIMO系統(tǒng)是接收分集,MISO系統(tǒng)是發(fā)射分集。無(wú)線(xiàn)信號(hào)在復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)信道中傳播產(chǎn)生Rayleigh衰落,在不同空間位置上其衰落特性不同。如果兩個(gè)位置間距大于天線(xiàn)之間的相關(guān)距離(通常相隔十個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)以上),就認(rèn)為兩處的信號(hào)完全不相關(guān),這樣就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)空間分集接收。
---MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑衰落影響因素變成對(duì)用戶(hù)通信性能有利的增強(qiáng)因素。MIMO技術(shù)有效地利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來(lái)成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。MIMO技術(shù)成功之處主要是它能夠在不增加所占用的信號(hào)帶寬的前提下帶來(lái)無(wú)線(xiàn)通信的性能上幾個(gè)數(shù)量級(jí)的改善。因此在多天線(xiàn)相關(guān)的信道建模、信息論和編碼理論、信號(hào)處理算法、天線(xiàn)設(shè)計(jì)以及固定和移動(dòng)的蜂窩設(shè)計(jì)每一面都取得了進(jìn)展。 MIMO技術(shù)帶來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的四大變革
 ---無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)從發(fā)送端開(kāi)始,首先經(jīng)過(guò)發(fā)送端編碼和發(fā)送端調(diào)制,然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信鏈路到接收端天線(xiàn),在接收端解調(diào)譯碼恢復(fù)原始信號(hào)。MIMO技術(shù)的引入是無(wú)線(xiàn)通信的一場(chǎng)革命,它的影響是全方位的。從無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)看,MIMO技術(shù)通過(guò)和無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵部分相結(jié)合以改善系統(tǒng)的整體性能,如和編碼技術(shù)結(jié)合形成空時(shí)編碼技術(shù)、與調(diào)制技術(shù)結(jié)合形成MIMO OFDM技術(shù)、與天線(xiàn)技術(shù)結(jié)合成為多天線(xiàn)的智能天線(xiàn)系統(tǒng)。MIMO技術(shù)的引入使先前的通信信號(hào)的時(shí)頻域處理轉(zhuǎn)變?yōu)榭諘r(shí)頻三維的信號(hào)處理,極大的增強(qiáng)了系統(tǒng)性能。MIMO無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在以下一些方面具有巨大的潛力,如頻譜的高效使用、帶寬的動(dòng)態(tài)分配、安全的無(wú)線(xiàn)應(yīng)用、更高的服務(wù)質(zhì)量、高性能的信號(hào)調(diào)制傳輸技術(shù)。為此,下一代MIMO無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)使用了許多新的關(guān)鍵技術(shù),包括空時(shí)編碼技術(shù)、MIMO OFDM技術(shù)、智能天線(xiàn)術(shù)以及空時(shí)頻三維信號(hào)的自適應(yīng)技術(shù)等等。
---1. 空時(shí)編碼技術(shù)——MIMO與編碼技術(shù)的結(jié)合
---空時(shí)編碼技術(shù)是在1998年由Vahid Tarokh等人提出的一項(xiàng)基于發(fā)射分集的技術(shù)。Tarokh等人認(rèn)為：如果在發(fā)射端采用適合多天線(xiàn)傳輸?shù)木幋a技術(shù),同時(shí)在接收端進(jìn)行相應(yīng)地信號(hào)處理技術(shù),能獲得很大的性能增益,這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。
 ---最近幾年來(lái)空時(shí)編碼技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。朗訊實(shí)驗(yàn)室的Forchini和Gans,AT&T的Tarokh及其同事們?cè)谶@方面作了關(guān)鍵性工作,率先提出了空時(shí)編碼的概念�？諘r(shí)編碼的有效工作需要在發(fā)射和接收端使用多個(gè)天線(xiàn),因?yàn)榭諘r(shí)編碼同時(shí)利用時(shí)間和空間兩維信號(hào)處理來(lái)構(gòu)造碼字,這樣才能有效抵消衰落,提高功率效率。并且能夠在傳輸信道中實(shí)現(xiàn)并行的多路傳送,提高頻譜效率。需要說(shuō)明的是,空時(shí)編碼技術(shù)因?yàn)閷儆诳臻g分集的范疇,所以要求在多散射體的多徑情況下應(yīng)用,天線(xiàn)間距應(yīng)適當(dāng)拉開(kāi)以保證發(fā)射、接收信號(hào)的相互獨(dú)立性,以充分利用多散射體所造成的多徑（也稱(chēng)之為充分多徑）。
 ---空時(shí)編碼方案結(jié)合了信道編碼和多發(fā)送天線(xiàn),通過(guò)空時(shí)編碼后的數(shù)據(jù)被串并轉(zhuǎn)換成n個(gè)數(shù)據(jù)流,每一路數(shù)據(jù)流經(jīng)脈沖形成、調(diào)制,然后通過(guò)n個(gè)天線(xiàn)同時(shí)發(fā)送到無(wú)線(xiàn)空間。在接收端,可以用單一天線(xiàn),也可以用多個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行接收,每一個(gè)接收天線(xiàn)接收到的是n個(gè)發(fā)送信號(hào)與干擾噪聲線(xiàn)性的疊加（衰落系數(shù)為權(quán)重）,然后通過(guò)最大似然檢測(cè)的方法,正確地識(shí)別出發(fā)送信號(hào)�？諘r(shí)譯碼算法和信道估計(jì)技術(shù)結(jié)合以獲得分集增益和編碼增益。
---目前,空時(shí)編碼基本上有空時(shí)分組碼(STBC)、空時(shí)格狀碼(STTC)和空時(shí)分層碼(BLAST)等多種。
---2. MIMO OFDM技術(shù)——MIMO與調(diào)制技術(shù)的結(jié)合
---OFDM是一種新的高效的多載波調(diào)制技術(shù),它能夠有效地對(duì)抗多徑傳播,使受到干擾的信號(hào)能夠可靠地接收。到目前為止,對(duì)于OFDM系統(tǒng)的研究已經(jīng)相當(dāng)深入,同時(shí)對(duì)于MIMO系統(tǒng)研究也早在1998,1999年就有人提出空時(shí)碼的概念,利用空時(shí)碼和多個(gè)發(fā)射、接受天線(xiàn)來(lái)完成系統(tǒng)的發(fā)射分集和接受分集,可以說(shuō)這就是MIMO系統(tǒng)的雛形。我們知道單純的OFDM系統(tǒng)要對(duì)抗無(wú)線(xiàn)環(huán)境中的多經(jīng)衰落是不夠的,他必須和相應(yīng)的分集技術(shù)結(jié)合起來(lái),才能更好的發(fā)揮其功效。因此我們可以將MIMO系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),即構(gòu)成MIMO OFDM系統(tǒng).這種系統(tǒng)利用的是空間分集。
---在未來(lái)的寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中,存在兩個(gè)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。OFDM通過(guò)將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道,從而減小了多徑衰落的影響。而MIMO技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道同時(shí)傳輸多路數(shù)據(jù)流,這樣就有效的增加了系統(tǒng)的傳輸速率,即由MIMO提供的空間復(fù)用技術(shù)能夠在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率。這樣,如果我們將OFDM和MIMO兩種技術(shù)相結(jié)合,就能達(dá)到兩種效果：一種是系統(tǒng)很高的傳輸速率,另一種是通過(guò)分集達(dá)到的很強(qiáng)的可靠性。同時(shí),在MIMO-OFDM系統(tǒng)中加入合適的數(shù)字信號(hào)處理的算法能更好的增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
---3. 智能天線(xiàn)技術(shù)——MIMO與天線(xiàn)技術(shù)的結(jié)合
---MIMO技術(shù)的核心是空時(shí)信號(hào)處理,也就是利用在空間中分布的多個(gè)天線(xiàn)將時(shí)間域和空間域結(jié)合起來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理。因此,MIMO技術(shù)可以看作是智能天線(xiàn)的擴(kuò)展,
---在多天線(xiàn)技術(shù)中,最受關(guān)注的是智能天線(xiàn)技術(shù),國(guó)際電聯(lián)已明確將智能天線(xiàn)技術(shù)作為三代以后移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要方向。智能天線(xiàn)通常也被稱(chēng)作自適應(yīng)天線(xiàn),主要用于完成空間濾波和定位。從本質(zhì)上看,智能天線(xiàn)利用了天線(xiàn)陣列中各單元之間的位置關(guān)系,即利用了信號(hào)的相位關(guān)系,這是它與傳統(tǒng)分集技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。從一定意義上看,智能天線(xiàn)可看作是一種空分多址SDMA,在SDMA中,多個(gè)用戶(hù)可共享一個(gè)信道,這將極大地增加系統(tǒng)容量。
---智能天線(xiàn)技術(shù)可以定義為:具有波束成形能力的天線(xiàn)陣列,可以形成特定的天線(xiàn)波束,實(shí)現(xiàn)定向發(fā)送和接收。智能天線(xiàn)可以利用信號(hào)的空間特征分開(kāi)用戶(hù)信號(hào)、多址干擾以及多徑干擾信號(hào)。智能天線(xiàn)分為兩大類(lèi):多波束智能天線(xiàn)與自適應(yīng)陣智能天線(xiàn),簡(jiǎn)稱(chēng)多波束天線(xiàn)和自適應(yīng)陣天線(xiàn)。
---更高數(shù)據(jù)速率和越來(lái)越復(fù)雜的工作特性必然要求下一代無(wú)線(xiàn)通信的天線(xiàn)系統(tǒng)提供精確而且靈活的干擾控制。而智能天線(xiàn)提供了一種方案來(lái)解決困擾無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的根本問(wèn)題。因此,智能天線(xiàn)一定會(huì)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。
---4.空時(shí)頻自適應(yīng)技術(shù)
---正交頻分復(fù)用技術(shù)由于能有效地抑制碼間干擾(ISI)而成為多徑衰落信道環(huán)境下傳輸高速數(shù)據(jù)的有效調(diào)制技術(shù)。但在傳統(tǒng)OFDM傳輸系統(tǒng)(即沒(méi)有采用空間分集和自適應(yīng)調(diào)制等性能增強(qiáng)技術(shù)的基本OFDM系統(tǒng))中,由于在所有的子載波中采用相同且固定的調(diào)制方式,因此它沒(méi)有充分利用各子載波的頻率選擇性衰落信道信息。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),人們提出了充分利用子載波信道特性的自適應(yīng)OFDM技術(shù)。在自適應(yīng)OFDM中,子載波上的調(diào)制方式隨信道質(zhì)量而自適應(yīng)變化,這樣就充分利用了各子載波的信道信息,從而大大地提高了系統(tǒng)的誤比特性能。
---MIMO系統(tǒng)中不同信道相互獨(dú)立,在高信噪比的情況下系統(tǒng)的容量幾乎跟發(fā)射端和接收端天線(xiàn)的最小數(shù)目成正比。不同調(diào)制技術(shù)也會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不同的增益。根據(jù)一些已經(jīng)發(fā)表的論文,MIMO技術(shù)跟自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)結(jié)合可以獲得更大的系統(tǒng)增益,所以MIMO技術(shù)與先進(jìn)自適應(yīng)技術(shù)結(jié)合的研究也成為無(wú)線(xiàn)通信研究的一個(gè)重要方面。
---MIMO與OFDM技術(shù)結(jié)合,可以將無(wú)線(xiàn)通信的信號(hào)處理從時(shí)頻分集擴(kuò)展為時(shí)空頻分集,進(jìn)一步分割信道為空時(shí)頻正交的子信道。這樣,我們就需要根據(jù)各個(gè)子信道的實(shí)際傳輸情況靈活的分配發(fā)送功率和信息比特。而且由于無(wú)線(xiàn)信道的頻率選擇性和時(shí)變性,也需要實(shí)時(shí)地對(duì)信道進(jìn)行檢測(cè),更加有效的利用無(wú)線(xiàn)資源。
---對(duì)于所有子載波都使用相同固定調(diào)制方案的通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其誤碼率主要由經(jīng)歷衰落最嚴(yán)重的子載波決定。因此在頻率選擇性衰落信道中,隨著平均信噪比的增加,系統(tǒng)的誤碼率下降是十分緩慢的。但我們可以對(duì)不同的子信道采用不同傳輸方案。所有的傳輸方案要適應(yīng)每個(gè)子信道的信噪比。而且也可以對(duì)單個(gè)子信道的功率分配實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。（圖3為自適應(yīng)方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖） 結(jié)束語(yǔ)
---最近十年來(lái)隨著因特網(wǎng)和移動(dòng)通信飛速發(fā)展,第三代移動(dòng)通信也已經(jīng)引入了無(wú)線(xiàn)因特網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)。而在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(即所謂的Beyond 3G或4G)中,人們對(duì)傳輸速率提出了更高的要求,這就需要采用更先進(jìn)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。然而頻譜資源總是有限的,要支持高速率就要開(kāi)發(fā)具有極高頻譜利用率的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。MIMO技術(shù)可以顯著提高無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的頻譜利用率,也非常適用于室內(nèi)環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系統(tǒng)使用,采用MIMO技術(shù)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系統(tǒng)在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到20～40 bit/s/Hz;而使用傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在移動(dòng)蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz,在點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有10～12 bit/s/Hz。MIMO技術(shù)作為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注,已經(jīng)被認(rèn)為是新一代無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)的革命技術(shù)。
---MIMO技術(shù)將成為第三代和未來(lái)移動(dòng)通信與個(gè)人通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率,提高傳輸質(zhì)量的重要途徑。
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