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mimo核心技术的发展
MIMO技术发展
摘要
多入多余(MIMO,Multiple-InputMultiple-Out-put)或多发多收天线(MTMRA,MultipleTransmitMultipleReceiveAntenna)技术是无线移动通信领域智能天线技术重大突破。
该技术能在不增长带宽状况下成倍地提高通信系统容量和频谱运用率,是新一代移动通信系统必要采用核心技术。
当前,各国已开始或者筹划进行新一代移动通信技术(后3G或者4G)研究,争取在将来移动通信领域内占有一席之地。
随着技术发展,将来移动通信宽带和无线接入融合系统成为当前热门研究课题,而MIMO系统是人们研究较多方向之一。
本文重要研究了MIMO无线通信技术原理,分析了MIMO技术发展历史,国内外研究现状与发展趋势,最后就MIMO技术应用予以分析简介,为进一步结识与研究MIMO通信技术奠定了基本。
核心词:
MIMO多输入多输出技术无线移动通信
ABSTRACT
MIMO,whichisshortof"Multiple-InputMultiple-Out-put"orMTMRA,whichisshortof"MultipleTransmitMultipleReceiveAntenna"issmartAntennaEngineering'smajorBreakthroughinWirelessMobileCommunicationfield.Suchtechnologycanmultiplythecapacityofcommunicationsystemandthespectrumefficiency,whichisthekeytechnologythatmustbeusedinthenewgenerationofmobilecommunicationsystem.Currently,countrieshavestartedorplantheresearchofthenewgenerationofmobilecommunicationstechnology(3Gor4G)toensurethereisaplaceinthefutureofmobilecommunicationfield.Withthedevelopmentoftechnology,thefuturemobilebroadbandandwirelessaccessfusionsystembecomethehotresearchtopic,andthemultiple-inputmultiple-output(MIMO)systemisoneofthestudydirectionwhichmostpeopleinit.
ThispapermainlystudiestheprincipleofMIMOwirelesscommunicationtechnology,analyzestheMIMOtechnologydevelopmenthistory,thedomesticandforeignresearchpresentsituationandthedevelopmenttendency,finallytheMIMOtechnologyapplicationisintroducedandanalyzed,suchlaythefoundationforfurthunderstandingandresearchofMIMOcommunicationtechnology.
Keywords:
MIMOMultiple-InputMultiple-Out-putWirelessMobileCommunication
1引言
随着移动通信业务规模和种类迅速发展,如何有效地运用相对贫乏频谱资源提供更高质量、更高速率通信服务成为业界关注焦点。
新一代无线通信技术以其高质量、高速率移动多媒体传播目的让人耳目一新。
然而,实现这一振奋人心通信目的并非易事,常规单大线收发通信系统当前而临着严峻挑战,虽然采用常规发送分集、接受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大容量与高可靠性需求问题。
可庆幸是,多入多余(MIMO)无线通信技术提供理解决该问题新途径,它在无线链路两端均采用多大线,分别同步接受与发送,可以充分开发空间资源,在无需增长频谱资源和发送功率状况卜,成倍地提高通信系统容量与可靠性。
然而,与常规单大线收发通信系统相比,MIMO通信系统中多大线应用而临大量亟待研究问题。
从10月NTTDoCoMo开始提供3G商用业务以来,某些国家也陆续准备布置3G网络,但与此同步,世界各国也已经开始或者筹划开始新一代移动通信技术研究,争取在将来移动通信领域内占有一片立席之地。
这里所提到新一代移动通信是指后(beyond)3G或者4G。
日前普遍以为后3G最高传播速率将超过100M;可以实现全球无缝漫游;具备非常高灵话性,能自适应地进行资源分派;支持下一代Internet(IPv6),并且是全IP网络;固然服务成木低也将是后3G一种重要特性。
随着时势发展,将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研究课题。
而MIMO(多进多余)系统是人们研究较多方向之一。
2MIMO技术概念
所谓MIMO(多入多余),就是指无线网络信号通过多重天线进行同步收发,MIMO系统在发射端和接受端均采用多天线(或阵列天线)和多通道,这样可以提高传播率。
更确切地说就是信号通过多重切割之后,通过多重天线进行同步传送。
由于无线信号在传送过程当中为了避免发生干扰,会走不同反射或穿透途径,因而到达接受端时间会不一致。
为了避免被切割信号不一致而无法重新组合,接受端会同步具备多重天线接受,然后运用DSP重新计算方式,依照时间差因素,将分开各信号重新组合,并且迅速对的地还原出本来信号。
MIMO技术对于老式单天线系统来说,可以大大提高频谱运用率,使得系统能在有限无线频带下传播更高速率数据业务。
MIMO技术大体可以分为两类:
发射/接受分集和空间复用。
老式多天线被用来增长分集度从而克服信道衰落。
具备相似信息信号通过不同途径被发送出去,在接受机端可以获得数据符号各种独立衰落复制品,从而获得更高接受可靠性。
举例来说,在慢瑞利衰落信道中,使用1根发射天线n根接受天线,发送信号通过n个不同途径。
如果各个天线之间衰落是独立,可以获得最大分集增益为n,平均误差概率可以减小到,单天线衰落信道平均误差概率为。
对于发射分集技术来说,同样是运用多条途径增益来提高系统可靠性。
在一种具备m根发射天线n根接受天线系统中,如果天线对之间途径增益是独立均匀分布瑞利衰落,可以获得最大分集增益为mn。
智能天线技术也是通过不同发射天线来发送相似数据,形成指向某些顾客赋形波束,从而有效提高天线增益,减少顾客间干扰。
广义上来说,智能天线技术也可以算一种天线分集技术。
分集技术重要用来对抗信道衰落。
相反,MIMO信道中衰落特性可以提供额外信息来增长通信中自由度(degreesoffreedom)。
从本质上来讲,如果每对发送接受天线之间衰落是独立,那么可以产生各种并行子信道。
如果在这些并行子信道上传播不同信息流,可以提供传播数据速率,这被称为空间复用。
需要特别指出是在高SNR状况下,传播速率是自由度受限,此时对于m根发射天线n根接受天线,并且天线对之间是独立均匀分布瑞利衰落。
依照子数据流与天线之间相应关系,空间多路复用系统大体分为三种模式:
D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。
D-BLAST:
D-BLAST最先由贝尔实验室GerardJ.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,每一种子流与一根天线相相应,但是这种相应关系周期性变化,如图1.b所示,它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好处是,使得所有层数据可以通过不同途径发送到接受机端,提高了链路可靠性。
其重要缺陷是,由于符号在空间与时间上呈对角线形状,使得一某些空时单元被挥霍,或者增长了传播数据冗余。
如图1.b所示,在数据发送开始时,有一某些空时单元未被填入符号(相应图中右下角空白某些),为了保证D-BLAST空时构造,在发送结束必定也有一某些空时单元被挥霍。
如果采用burst模式数字通信,并且一种burst长度不不大于M(发送天线数目)个发送时间间隔,那么burst长度越小,这种挥霍越严重。
它数据检测需要一层一层进行,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:
此外一种简化了BLAST构造同样最先由贝尔实验室提出。
它采用一种直接天线与层相应关系,即编码后第k个子流直接送到第k根天线,不进行数据流与天线之间相应关系周期变化。
如图所示,它数据流在时间与空间上为持续垂直列向量,称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。
由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简朴相应关系,因而在检测过程中,只要懂得数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层数据,检测过程简朴。
考虑到D-BLAST以及V-BALST模式优缺陷,一种不同于D-DBLAST与V-BLAST空时编码构造被提出:
T-BLAST。
等文献分别提及这种构造。
它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,每个子流被相应天线发送出去,并且这种相应关系周期性变化,与D-BLAST系统不同是,在发送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,使得单从一种发送时间间隔来看,它空时分布很像V-BALST,只但是在不同步间间隔中,子数据流与天线相应关系周期性变化。
更普通T-BLAST构造是这种相应关系不是周期性变化,而是随机变化。
这样T-BLAST不但可以使得所有子流共享空间信道,并且没有空时单元挥霍,并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。
3MIMO技术分类
MIMO通信技术涉及如下领域:
空分复用
(partialmultiplexing)工作在MIMO天线配备下,可以在不增长带宽条件下,相比SISO系统成倍地提高信息传播速率,从而极大地提高了频谱运用率。
在发射端,高速率数据流被分割为各种较低速率子数据流,不同子数据流在不同发射天线上在相似频段上发射出去。
如果发射端与接受端天线阵列之间构成空域子信道足够不同,即可以在时域和频域之外额外提供空域维度,使得在不同发射天线上传送信号之间可以互相区别,因而接受机可以区别出这些并行子数据流,而不需付出额外频率或者时间资源。
空间复用技术在高信噪比条件下可以极大提高信道容量,并且可以在“开环”,即发射端无法获得信道信息条件下使用。
Foschini等人提出“贝尔实验室分层空时”(BLAST)是典型空间复用技术。
空间分集
(spatialdiversity):
运用发射或接受端多根天线所提供多重传播途径发送相似资料,以增强资料传播品质。
波束成型
(beamforming):
借由多根天线产生一种具备指向性波束,将能量集中在欲传播方向,增长信号品质,并减
少与其她顾客间干扰。
预编码
(precoding)以上MIMO有关技术并非相斥,而是可以互相配合应用,如一种MIMO系统即可以包括空分复用和分集技术。
4MIMO技术发展历史
事实上多进多余(MIMO)技术由来已久,早在19马可尼就提出用它来抗衰落。
在70年代有人提出将多入多余技术用于通信系统,但是对无线移动通信系统多入多余技术产生巨大推动奠基工作则是90年代由AT&TBell实验室学者完毕。
个通信系统优劣最重要指标。
1994年punlraj等人提出多输入多输出系统(MIMO)概念,即在无线通信系统发送端和接受端同步使用多副天线收发信号来增长无线信道容量。
因此也将MIMO系统称为多天线系统。
1995年Teladar给出了在衰落状况下MIMO容量;1996年Foshinia给出了一种多入多余解决算法——对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法;1998年Tarokh等讨论了用于多入多余空时码;1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一种MIMO实验系统,在室内实验中达到了20bit/s/Hz以上频谱运用率,这一频谱运用率在普通系统中很难实现。
这些工作受到各国学者极大注意,并使得多入多余研究工作得到了迅速发展。
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LayeredSpaceTime(BLAST)MIMO技术芯片,这一芯片支持最高4×4天线布局,可解决最高数据速率达到19.2Mbps。
该技术用于移动通信,BLAST芯片使终端可以在3G移动网络中接受每秒19.2兆比特数据,当前,朗讯科技已经开始将此BLAST芯片应用到其FlexentOneBTS家族系列基站中,同步还筹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能力。
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余(MIMO)技术批量上市产品。
AGN100使用该公司多天线传播和接受技术,将当前Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps,同步保持与所有惯用Wi-Fi原则兼容性。
该产品集成两片芯片,涉及一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF),采用一种可伸缩构造,使制造商可以只使用一片RF芯片实现单天线系统,或增长其她RF芯片提高性能。
该芯片支持所有802.11a、b和g模式,包括IEEE802.11工作组推出最新原则(涉及TGi安全和TGe质量服务功能)。
Airgo芯片组和当前Wi-Fi原则兼容,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芯片组无线设备可以和此前802.11设备通讯,甚至可以在以54Mbps速度和802.11a设备通讯同步还可以以108Mbps速度和Airgo设备通讯。
5MIMO技术发呈现状
作为无线高速数据传播核心技术一—MIMO其理论、性能、算法和实现各方面均被各国学者广泛地进行着研究。
在MIMO系统理论及性能研究方面己有一批文献。
这些文献己涉及相称广泛内容,但是由于无线移动通信MIMO信道是一种时变、非平稳多输入多输出系统,尚有大量问题需要研究。
例如说,各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。
这对于宽带信号4G系统及室外迅速移动系统来说是不够,因而必要采用复杂模型进行研究。
已有不少文献在进行这方面工作,即对信道为频率选取性衰落和移动台迅速移动状况进行研究。
再有,在基本文献中,均假定接受机精准已知多径信道参数,为此,必要发送训练序列对接受机进行训练。
但是若移动台移动速度过快,就使得训练时间太短,这样迅速信道预计或盲解决就成为重要研究内容。
此外实验系统是MIMO技术研究重要一步。
实际系统研究一种重要问题是在移动终端实现多天线和多路接受,学者们正大力进行这方面研究。
由于移动终端设备规定体积小、重量轻、耗电小,因而尚有大量工作要做。
当前各大公司均在研制实验系统。
Bell实验室BLAST系统[4]是最早研制MIMO实验系统。
该系统工作频率为1.9GHz,发射8天线,接受12天线,采用D-BLAST算法。
频谱运用率达到了25.9bits/(Hz·s)。
但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究,对于在3G、4G应用尚有相称大距离。
在发送端和接受端各设立多重天线,可以提供空间分集效应,克服电波衰落不良影响。
这是由于安排恰当多副天线提供各种空间信道,不会所有同步受到衰落。
在上述详细实验系统中,每一基台各设立2副发送天线和3副接受天线,而每一顾客终端各设立1副发送天线和3副接受天线,即下行通路设立2×3天线、上行通路设立1×3天线。
这样与“单输入/单输出天线”SISO相比,传播上获得了10~20dB好处,相应地加大了系统容量。
并且,基台两副发送天线于必要时可以用来传播不同数据信号,顾客传送数据速率可以加倍。
朗讯科技贝尔实验室分层空时(BLAST)技术是移动通信方面领先MIMO应用技术,是其智能天线进一步发展。
BLAST技术就其原理而言,是运用每对发送和接受天线上信号特有“空间标记”,在接受端对其进行“恢复”。
运用BLAST技术,犹如在原有频段上建立了各种互不干扰、并行子信道,并运用先进多顾客检测技术,同步精确高效地传送顾客数据,其成果是极大提高前向和反向链路容量。
BLAST技术证明,在天线发送和接受端同步采用多天线阵,更可以充分运用多径传播,达到“变废为宝”效果,提高系统容量。
理论研究业已证明,采用BLAST技术,系统频谱效率可以随天线个数成线性增长,也就是说,只要容许增长天线个数,系统容量就可以得到不断提高。
这也充分证明BLAST技术有着非常大潜力。
鉴于对于无线通信理论突出贡献,BLAST技术获得了美国ThomasEdison(爱迪生)创造奖。
空时编码是MIMO基本问题,有关文献中己提出了不少MIMO及空时编码算法。
但是为了在4G(第四代)等新一代系统中实际应用MIMO,在空时编码算法研究上尚有大量工作要做。
新一代无线通信系记录划采用空时解决技术,例如IEEE802163宽带固定无线接入原则物理层把空时码作为内码,RS码作为外码;欧洲WND-FLEX项目研究空时解决用于室内64}100Mbit/s无线自适应MODENI。
数据速率20Mbit/、带宽效率提高20%空时码是4G重要技术之一。
人们正在不断地提出新或改进空时编码办法,以改进MIMO性能,减少空时编码系统复杂性,更好地适合
新一代无线通信系统规定和信道实际状况。
Hochwald提出了一种针对分段恒定衰落信道新信号调制办法—单式空时调制(UnitarySpace-tineModulation)。
这种办法可以在不预计信道传播矩阵条件下实现MIMO解决。
随后,她们又将该办法推广到持续衰落信道状况,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问题,提出采用软对消方式实现检测TURI30编码与BLAST构造结合MIMO解决方案。
为了在新一代系统中实际应用MIMO技术,就必要结合详细通信体制(多址方式、双工方式、调制方式、常规信道编码方式、多顾客检测方式、波束形成方式等)进行性能研究和系统设计。
近来,己有一批关于研究成果刊登。
Agrawal等提出了一种OFDM与空时码结合MIMO方案,Goeokel等提出了用于OFDM多维信号集,Wang等研究了在有关衰落信道状况OFDM空时码系统。
空时码与信道编码等解决结合是空时研究重要方向。
Liu和Hanzo文章对空时码与信道码级联进行了较好综述。
随着MIMO技术日趋成熟,并向实用化迈进,国际上诸多研究机构已不断推动MIMO技术原则化进程,涉及:
MIMO无线传播信道模型原则化和MIMO技术原则化。
在国内,科技部对新一代无线通信技术相称注重,已启动将来通用无线通信技术研究筹划(FUTURE)分为三阶段实行:
在第二阶段(.1到.12),B3G/4G空中接口技术研究达到相对成熟水平,并进行与之有关系统总体技术研究(涉及与无线自组织网络、游牧无线接入网络互联互通技术研究等),完毕联网实验和演示业务开发,建成具备B3G/4G技术特性演示系统,向ITU提交初步新一代无限通信体制原则;在第三阶段(.1到.12),完毕通用无线环境体制原则研究及其系统实用化研究,开展较大规模现场实验,完毕预商用系统研制。
6MIMO技术发展展望
过去十几年中,MIMO技术己经获得相称大进展,但是在实际系统中要达到MIMO理论上容量增长依然有许多技术难点。
这些技术难点也是日前MIMO技术研究热点,重要有如下4个方面。
(1)信道建模和信道容量
研究MIMO技术时必要考虑信道模型和信道容量。
实现MIMO系统实际增益核心在于建立更精确信道模型,在对MIMO信道容量进行研究时,应当考虑多径,考虑衰落之间有关性对信道容量影响。
(2)MIMO系统信号设计和信号解决
MIMO信道辨认、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通用信号、接受端信号解决如何相应信号设计,这些都是实际可用MIMO系统必要考虑问题。
使用最优发送信号方案,可以大大简化对接受信号解决。
一旦发送方案拟定,就可以拟定各种接受端构造,当前研究热点是考虑信号解决构造在性能和解决复杂性两者之间折衷。
(3)与传播有关研究方向
如何解决MIMO系统多径效应是一种很重要问题,当前惯用办法一是在接受端做均衡解决,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播速度为162Mbit/s无线LAN(局域网)技术,这种技术是在收发两端使用阵列天线多输入多输出(MIMO)和正交频分
复用(OFDM)。
该系统使用3对收发天线,每对收发天线可以实现54Mbit/s传播速率。
这是日前MIMO+OFDM技术所体现强大应用潜力。
IEEE80211a11g都是以OFDM作为核心技术,而IEEE80216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研究,而A.MMn技术是具备极高频谱运用率技术,在V---Blast算法下,抱负状况下可以达到20~40bit/s/Hz,这是日前任何一种技术所达不到。
此外在各类无线通信系统中,ISI(符号间干扰)始终是影响通信质量重要因素。
OFDM技术可以有效对抗ISI,同步具备频谱运用率高、抗多径衰落性能好、成本偏低等长处,使得这两种技术特别是两者结合有望成为过渡到4G潜在技术。
因而这两种技术己经成为日前4G研究热点是一种非常有前景研究方向。
(4)MIMO在将来网络中应用
在将来4G系统中,MIMO技术将发挥巨大作用,但尚有诸多工作需要广大学者进行:
研究开发适合蜂窝网络MIMO链路;设计运用MIMO信道实当前减少干扰和提高速率之间最优折衷算法;MIMO算法如何应用在由于顾客移动导致迅速时变信道中;减少附加天线所带来十扰;基于MIMO物理层和MAC(媒体接入控制)层卞要功能分析及两者之间互相作用;多顾客状况下所引入多址干扰等。
7结束语
为了适应人类社会更广泛活动和更深远摸索,通信技术止此前所末有速度迅速发展。
通过广大科技人员潜心研究和深度开发,无线电通信这古老而又崭新技术必将换发出青春活力,以适应末来人类社会通信需求。
当前无线通信系统需要提供越来越高数据速率。
老式方式通过高阶调制和更大信号带宽来实现,新办法却通过运用无线系统传播信道来提高数据速率。
通过使用多天线系统(典型MIMO),可以使数据速率和信道容量有了比较大提高。
因而,MIM系统已广泛应用于各种移动通信原则,也成为了将来移动通信原则必选项目。
MIM技术是一项全新技术,在其算法开发、信道建模、大线设计、测试平台搭建、芯片开发与原则化方而尚有大
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