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MIMO技术解析
MIMO技术
MIMOTechnology
2012-12-20
作者:
印友进于彦
摘要:
未来无线通信系统需要更高的数据传输速率和更好的服务质量,因此需要系统容量大幅度提高。
在有限的无线频谱资源条件下,只有极大地提高频谱利用率才能使系统容量更高。
采用多输入多输出(MIMO)天线技术可以满足要求。
MIMO技术的主要研究方向包括:
MIMO信道、MIMO收发技术、分布式MIMO和MIMO应用。
MIMO技术是无线通信领域重大的技术突破,将成为未来无线宽带移动通信系统和无线宽带接入系统的关键技术。
关键字:
多输入多输出;分布式无线通信系统;关键技术;体系结构
英文摘要:
ThefuturewirelesscommunicationssystemrequireshigherdatatransmissionspeedandbetterQoS,thereforethesystemcapacityshouldbegreatlyimproved.Withlimitedradiofrequencyresources,itcanonlybesatisfiedbytremendouslyenhancingthefrequencyutilizationefficiency.TheMultipleInputMultipleOutput(MIMO)technologyisagoodchoice.ThestudyofMIMOincludesMIMOchannel,MIMOtransceiver,distributedMIMOandapplicationofMIMO.TheMIMOtechnologyisagreattechnologicalbreakthroughinthedomainofwirelesscommunications,anditwillbecomeakeytechnologyforthefuturebroadbandmobilecommunicationssystemandbroadbandwirelessaccesssystem.
英文关键字:
multipleinputmultipleoutput;distributedwirelesscommunicationsystem;keytechnology;architecture
Content
1多入多出技术概论
2MIMO发展历史
3MIMO技术
4MIMO技术分类
空分复用
空间分集
波束成型
5mimo天线建设模式
6mimo与智能天线
7MIMO的应用
多入多出技术概论
概述
MIMO表示多输入多输出。
在第四代移动通信技术标准中被广泛采用,例如IEEE802.16e(Wimax),长期演进(LTE)。
在新一代无线局域网(WLAN)标准中,通常用于IEEE802.11n,但也可以用于其他802.11技术。
MIMO有时被称作空间分集,因为它使用多空间通道传送和接收数据。
只有站点(移动设备)或接入点(AP)支持MIMO时才能部署MIMO。
优点
MIMO技术的应用,使空间成为一种可以用于提高性能的资源,并能够增加无线系统的覆盖范围。
无线电发送的信号被反射时,会产生多份信号。
每份信号都是一个空间流。
使用单输入单输出(SISO)的系统一次只能发送或接收一个空间流。
MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流,并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。
多天线系统的应用,使得多达min(Nt,Nr)的并行数据流可以同时传送。
同时,在发送端或接收端采用多天线,可以显著克服信道的衰落,降低误码率。
一般的,分集增益可以高达Nt*Nr。
老接入点到老客户端-只发送和接收一个空间流
MIMO
MIMO接入点到MIMO客户端-同时发送和接收多个空间流
MIMO
可以看出,此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。
也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。
利用MIMO技术可以提高信道的容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。
前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益,后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。
实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF(zero-forcing,迫零)算法、MMSE(minimummeansquareerror,最小均方差)算法、ML(maximumlikelihood,最大似然)算法。
ML算法具有很好的译码性能,但是复杂度比较大,对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。
ZF算法简单容易实现,但是对信道的信噪比要求较高。
性能和复杂度最优的就是BLAST算法。
该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。
目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。
常见的空时码有空时块码、空时格码。
空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集,从而降低信道误码率。
潜力
通常,多径要引起衰落,因而被视为有害因素。
然而研究结果表明,对于MIMO系统来说,多径可以作为一个有利因素加以利用。
MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道,MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。
传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k),I=1,……,N。
这N个子流由N个天线发射出去,经空间信道后由M个接收天线接收。
多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流,从而实现最佳的处理。
特别是,这N个子流同时发送到信道,各发射信号占用同一频带,因而并未增加带宽。
若各发射接收天线间的通道响应独立,则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。
通过这些并行空间信道独立地传输信息,数据率必然可以提高。
MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化,从而实现高的通信容量和频谱利用率。
这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。
系统容量是表征通信系统的最重要标志之一,表示了通信系统最大传输率。
对于发射天线数为N,接收天线数为M的多入多出(MIMO)系统,假定信道为独立的瑞利衰落信道,并设N、M很大,则信道容量C近似为:
C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
其中B为信号带宽,ρ为接收端平均信噪比,min(M,N)为M,N的较小者。
上式表明,功率和带宽固定时,多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。
而在同样条件下,在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统,其容量仅随天线数的对数增加而增加。
相对而言,多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。
理论容量与天线数关系:
图4-4
(1)图4-4所示的四条信道容量曲线的发射天线数量都为4,以接收天线数量为横轴,信噪比依次为0dB、5dB、10dB、15dB。
从这四条不同的曲线我们可以得出结论:
1.发射天线数量一定,信噪比不变时信道容量随着接收天线数的增多而增大,且增大的幅度越来越小。
2.发射天线和接收天线的数量均相同,信道容量随信噪比的增大而增大。
(2)图4-5所示的四条信道容量曲线的接收天线数量都为4,以发射天线数量为横轴,信噪比分别为0dB、5dB、10dB、15dB。
从这四条不同的曲线我们可以得出结论:
1.接收天线数量一定,信噪比不变时信道容量随着发射天线数的增多而增大,增大的幅度会越来越小。
2.当发射天线数大于接收天线数时,信道容量增大的幅度会大幅度减缓,当>10以后,信道容量基本上就没有多大变化。
由上述结论我们可以看到信道容量随着天线数量的增大而线性增大。
也就是说可以在不增加带宽和天线发送功率的情况下利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,证明了MIMO信道系统理论的正确性
MIMO发展历史
1990年代,全世界无线通信领域均针对多天线系统进行研究,希望实作出能指向接收者之波束成型技术,亦即是所谓智慧型天线——一种能使波束聪明地追踪接收者(即移动电话)的技术,如同有个人持着天线到处移动,就像一道自手电筒射出的光束可追踪一位在黑暗中移动的人一样。
智慧型天线借由波束对其指向(亦即对目标接收者)的相长干涉(constructiveinterference)及同时间该波束对目标接收者指向以外其他方向之相消干涉(destructiveinterference)来增加信号增益,以实现上述智慧型天线的优点,并对于此发送单位上的多天线间,采用一较窄的天线间距来实作此波束。
一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距,以满足空间上的采样定理且避免旁瓣辐射(gratinglobes),亦即空间上的混叠。
波束成型技术的缺点乃是在都市的环境中,信号容易朝向建筑物或移动的车辆等目标分散,因而模糊其波束的集中特性(即相长干涉),丧失多数的信号增益及减少干扰的特性。
然而此项缺点却随着空间分集及空间多工的技术在1990年代末的发展,而突然转变为优势。
这些方法利用多径(multipathpropagation)现象来增加资料吞吐量、传送距离,或减少比特错误率。
这些型态的系统在选择实体的天线间距时,通常以大于被发送信号的波长的距离为实作,以确保MIMO频道间的低关联性及高分集阶数(diversityorder)。
MIMO-OFDM复合技术
MIMO此科技与平坦衰落信道(flatfadingchannels)兼用时最佳,以降低接收端信道等化器之复杂度及维持接收端的低功率耗损,也因此MIMO多半与OFDM结合为复合技术。
MIMO-OFDM同时为IEEE802.16及IEEE802.11nHT(High-Throughput)的采用标准之一。
WCDMA的系统,如HSDPA,亦进行将MIMO技术标准化的动作。
Mimo技术
1MIMO信道
研究无线通信技术首先就要研究无线信道。
同样,MIMO技术的研究发展总是围绕着人们对MIMO信道的深入研究而继续发展。
在早期的MIMO技术研究中为了简化分析,研究者通常假设天线阵列周围存在大量散射物,且天线元间距大于半波长,不同天线的信道衰落是不相关的[2],因此早期大量的研究成果在独立信道的前提条件下完成。
随着MIMO信道研究的发展和趋于成熟,人们发现随着MIMO信道相关性逐渐增强,MIMO信道的容量将急剧下降。
当信道存在相关性时,早期部分重要MIMO技术研究成果应用于无线通信系统中时,性能将急剧降低甚至于不能正常工作,而在现实环境中具有相关性或相关性强的MIMO信道环境大量存在。
随着MIMO技术研究的深入,人们对MIMO信道的研究也越来越考虑接近实际信道环境的MIMO信道模型。
现在建立在更为真实的相关性MIMO信道模型下的MIMO技术的研究已成为主要研究发展方向,其中主要研究内容包括:
(1)MIMO信道建模
信道建模从一般的相关性信道和均匀线性阵列天线配置(ULA)的MIMO信道建模向更接近实际情况的各种无线通信环境和可能使用的不同天线配置(如ULA、均匀圆形天线阵列、均匀矩形天线阵列等)方式的MIMO信道建模方向发展,信道模型更接近真实的无线环境。
(2)MIMO信道的容量分析
容量分析从独立信道和一般的相关性MIMO信道的容量分析向具体使用不同发射方案在各种MIMO信道条件下的容量分析方向发展,容量分析更准确。
(3)MIMO关键技术
关键技术包括各种MIMO空时编码、信道估计、信道检测技术,及其在各种应用环境的相关性MIMO信道下的新方法及性能分析。
2MIMO收发技术
MIMO技术实质上是利用空间资源的信号处理技术,从信号处理方法上主要分为两大类:
一类是空间复用技术,如贝尔实验室提出的BLAST[3];另一类是空间分集技术,如STBC[4]。
前期的MIMO收发技术主要围绕空间复用和空间分集处理技术,提出了很多发射方案和信号检测技术。
发射方案主要有各种空时频编码、BLAST和空时频编码与BLAST相结合的多种发射方案。
经典的接收检测技术则包括最大似然检测(ML)、最小均方误差(MMSE)、迫零(ZF)、球形译码(SD)、垂直-贝尔实验室分层空时算法(V-BLAST)及迭代方法等。
这些传统的收发技术还在进一步发展和完善。
MIMO技术发展以来,人们已经提出了很多的MIMO系统方案,总结这些较早的MIMO系统可以发现,它们都是在发射端未知信道状态信息条件下从N个发射天线发射信号x1......xN,信号经过MIMO信道H后,N个接收天线接收信号y1......yN后通过各种信道估计方法获取信道状态信息进行检测,这类系统可以称为信道状态信息接收端已知(CSIR)系统(如图1所示,其中n1......nN为附加白高斯噪声)。
然而对MIMO信道的研究表明,如果信道状态信息在发射端和接收端都可以利用的话,MIMO系统的性能将进一步提高[5],特别是当信道状态信息在发射端精确已知(CSIT)时(如图2所示),发射端可以利用已知的信道状态信息对发射信号进行信号预处理(如图2中w1......wN),MIMO系统的性能可以达到最优。
实际上信道状态信息可以在接收端通过信道估计技术获得。
在频分双工(FDD)的无线通信系统中,可以利用反向信道将信道状态信息反馈给发射端;在时分双工(TDD)的无线通信系统中,则可以利用反向链路的信道信息估计值近似获得信道状态信息。
因此,如何准确地估计信道状态信息,如何准确地反馈信道状态信息,如何在已知信道状态信息条件下设计MIMO收发方案等成为MIMO技术的重要研究方向。
目前这方面的研究工作已经展开,例如:
MIMO预编码技术、MIMO的发射天线选择技术、MIMO的自适应编码调制技术等等。
在一些实际的MIMO系统中,信道状态信息反馈时可能存在一定的差错或实际的MIMO信道变化太快,系统的发射端不能够获得完美的信道状态信息。
另一方面,在CSIT的MIMO系统中,需要反馈的信道状态信息量随着接收端天线数目的增加而急剧增大,但在实际MIMO系统中反向信道的容量有限,反馈的信息太多将严重影响系统容量。
因此,部分反馈信道状态信息或发射端部分知道信道状态信息的MIMO收发技术更具有实际的应用价值,发射端部分知道信道状态信息的MIMO系统成为MIMO技术重要的研究方向。
已经有学者在研究发射端部分知道信道状态信息条件下,进行发射端和接收端的联合设计,以便最大可能地提高MIMO系统性能[6]。
目前关于发射端部分知道信道状态信息的MIMO技术研究包括:
(1)如何有效地反馈信道状态信息,减少需要反馈的比特数目并保证其鲁棒性。
(2)发射端部分知道信道状态信息的MIMO系统性能分析。
(3)发射端部分知道信道状态信息的MIMO系统发射技术和接收技术的联合设计。
有关这方面的研究已经取得了一些初步的研究成果。
3MIMO技术的体系结构
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多个天线构成的天线阵列。
如图3所示,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。
传统的分布式天线系统[7]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)[8]成为MIMO技术的重要的研究热点。
在采用分布式MIMO的DWCS系统中(如图4所示),分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接。
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,这些问题有待于深入研究。
1MIMO系统的3种主要技术
当前,MIMO技术主要利用发射分集的空时编码、空间复用和波束成型等3种多天线技术来提升无线传输速率及品质。
1.1发射分集的空时编码
基于发射分集技术的空时编码主要有2种,即空时分组码(STBC)和空时格码(STTC)。
虽然空时编码方案不能直接提高数据率,但是通过这些并行空间信道独立、不相关地传输信息,从而使信号在接收端获得分集增益,为数据实现高阶调制创造条件。
1.1.1空时分组码(STBC)
STBC在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率,它通过在发射端增加信号的冗余度,使信号在接收端获得分集增益,空时分组码是将同一信息经过正交编码后从多根天线发射出去。
MIMO系统的原理如图1所示,传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k),i=1,...,N。
这N个信息子流由N个天线发射出去,经空间信道后由M个接收天线接收。
多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流,从而实现最佳的处理。
特别是这N个子流同时发射信号,各发射信号占用同一频带,因而并未增加带宽。
若各发射接收天线间的通道响应独立不相关,则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。
STBC是1998年,Alamouti提出的一种非常简单的发射分集技术,由于其简单的结构和良好的性能,很快进入了3GPP标准。
STBC实质上是将同一信息经过正交编码后从2个天线上发射出去,2路信号由于具有正交性,在接收端就能将2路独立的信号区别出来,只需要做简单的线性合并就可以获得分集增益。
但是,STBC的正交码组的构建还存在一定的问题。
对于实数信号星座(PAM星座),它才可以构造编码速率为1的空时编码算法。
但是,对于一个普通的复数信号星座,例如MQAM(如16QAM)或MPSK(如8PSK),当发射天线阵子数目大于2时,是否存在编码速率为1的码组还有待更深入的研究。
目前对于发射天线阵子数目等于3、4以及大于4的系统,如果采用复数信号星座,那么最大的空时编码速率只能达到3/4和1/2。
可见,对于采用高阶调制的高速率多天线的无线通信系统,如果直接采用空时分组编码算法,不可能充分地利用系统的有效性。
因此,寻找更好的空时分组码目前已成为一个研究方向;另外,如何在频率选择性信道、时间选择性信道中充分利用空时分组码的优势也是一个研究课题。
总之,当前STBC还是基于发射天线阵子数目等于2的发射分集技术。
1.1.2空时格码(STTC)
STTC是从空时延迟分集发展来的,而空时延迟分集可以看作是空时格码的一个特例。
空时格码具有卷积码的特征,它将编码、调制、发射分集结合在一起,可以同时获得分集增益和编码增益,并且使得系统的性能有很大的提升。
空时格码利用某种网格图,将同一信息通过多个天线发射出去,在接收端采用基于欧式距离的Viterbi译码器译码。
因此译码复杂度较高,而且译码复杂度将随着传输速率的增加呈指数增加。
早期的分集模型采用延时发送分集,这种分集的框图如图2所示。
编码后的数据首先被重复一次,然后通过一个串/并转换器,分成2个完全相同的数据流。
其中一数据流经过调制后直接从一个天线发送出去;另一数据流经过一个符号的延时后,再经调制从另一个天线发送出去。
由于数据在2个天线上同时发送,不同的只是一路数据被延时了一个符号,所以尽管采用了延时编码,却不会存在频带效率的损失。
在接收端,通过Viterbi译码可以进行解调。
这种延时的分集就是空时码的雏形。
可以证明当前所讲的STTC可以由延时发送分集实现。
延时分集技术的产生使人们很自然地想到,能否存在一种更好的编码方式,不需要重复编码,就能在保持同样的数据速率、不牺牲带宽的情况下获得更好的性能,这样就产生了一种新的编码方式,这就是集空分、时分、调制于一体的空时编码。
在空时编码中,STTC能够在不增加传送宽带和不改变信息速率的情况下,获得最大的编码增益和分集增益。
1.2空间复用
系统将数据分割成多份,分别在发射端的多个天线上发射出去,接收端接收到多个数据的混合信号后,利用不同空间信道间独立的衰落特性,区分出这些并行的数据流。
从而达到在相同的频率资源内获取更高数据速率的目的。
空间复用与发射分集技术不同,它在不同天线上发射不同信息。
空间复用技术是在发射端发射相互独立的信号,接收端采用干扰抑制的方法进行解码,此时的空口信道容量随着天线数量的增加而线性增大,从而能够显著提高系统的传输速率(见图3)。
使用空间复用技术时,接收端必须进行复杂的解码处理。
业界主要的解码算法有迫零算法(ZF)、MMSE算法、最大似然解码算法(MLD)和贝尔实验室分层空时处理算法(BLAST)。
迫零算法,MMSE算法是线性算法,比较容易实现,但对信道的信噪比要求较高,性能不佳;MLD算法具有很好的译码性能,但它的解码复杂度随着发射天线数量的增加呈指数增加,因此,当发射天线的数量很大时,这种算法是不实用的;综合前述算法优点的BLAST算法是性能和复杂度最优的。
BLAST算法是贝尔实验室提出的一种有效的空时处理算法,目前已广泛应用于MIMO系统中。
BLAST算法分为D-BLAST算法和V-BLAST算法。
D-BLAST算法是由贝尔实验室的G.J.Foschini于1996年提出的。
对于D-BLAST算法,原始数据被分为若干子数据流,每个子流独立进行编码,而且被循环分配到不同的发射天线。
D-BLAST的好处是每个子流的数据都可以通过不同的空间路径到达接收端,从而提高了链路的可靠性,但其复杂度太大,难以实际使用。
1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改进的V-BLAST算法,该算法不再对所有接收到的信号同时解码,而是先对最强信号进行解码,然后在接收信号中减去最强信号,再对剩余
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