多入多出智能天線技術(shù)

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1、1前言　　多入多出(MIMO)或多發(fā)多收天線(MTMRA)技術(shù)是無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。多入多出技術(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。普遍認(rèn)為，多入多出將是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。早在70年代就有人提出將多入多出技術(shù)用于通信系統(tǒng)，但是對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動(dòng)的奠基工作則是90年代由AT&TBell實(shí)驗(yàn)室學(xué)者完成的。1995年Teladar[1]給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia[2]給出了一種多入多出處理算法——對(duì)角-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(D-BLAST)算法；1998年Tarok

2、h[3]等討論了用于多入多出的空時(shí)碼；1998年Wolniansky等人[4]采用垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(V-BLAST)算法建立了一個(gè)MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗(yàn)中達(dá)到了20bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統(tǒng)中極難實(shí)現(xiàn)。這些工作受到各國(guó)學(xué)者的極大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速發(fā)展?！　?多入多出概念　　通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道。MIMO的多入多出是針對(duì)多徑無(wú)線信道來(lái)說(shuō)的。圖1所示為MIMO

3、系統(tǒng)的原理圖。傳輸信息流s(k)經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci(k)，I=1，……，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。圖1多入多出系統(tǒng)原理　　特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。　　MIMO將多徑無(wú)線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而可實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)

4、域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。　　系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對(duì)于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為[1]　　C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)　　其中B為信號(hào)帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時(shí)，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量?jī)H隨天線數(shù)的對(duì)數(shù)增加而增加。相對(duì)而言，多入多出對(duì)于提高無(wú)線通

5、信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力?！　?空時(shí)碼　　MIMO通過(guò)多天線發(fā)射多數(shù)據(jù)流并由多天線接收實(shí)現(xiàn)最佳處理，可實(shí)現(xiàn)很高的容量。這種最佳處理是通過(guò)空時(shí)編碼和解碼實(shí)現(xiàn)的。文獻(xiàn)[2—5]已經(jīng)提出了不少M(fèi)IMO空時(shí)碼，其中包括空時(shí)網(wǎng)格碼[3]、空時(shí)分組碼[5]、空時(shí)分層碼[2，4]。限于篇幅，本文只簡(jiǎn)單介紹空時(shí)分組碼的概念?！　榱藢?shí)現(xiàn)分集，接收機(jī)首先應(yīng)將各獨(dú)立信道分開，然后再實(shí)現(xiàn)最優(yōu)結(jié)合。同樣地，為了實(shí)現(xiàn)MIMO處理，各接收機(jī)也必須先將收到的各發(fā)射機(jī)發(fā)來(lái)的子流分開再進(jìn)行處理。對(duì)2×2天線(2天線發(fā)射機(jī)和2天線接收機(jī))情況，Alamouti[5]采用了一種特殊的發(fā)射編碼方法使接收機(jī)能實(shí)現(xiàn)這種

6、分開。圖22x2空時(shí)分組碼　　圖2示出了一個(gè)采用空時(shí)分組碼2天線發(fā)射機(jī)和2天線接收機(jī)的框圖。輸入信息首先分成兩個(gè)符號(hào)一組[c1、c2]。在兩個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，兩天線同時(shí)發(fā)射兩個(gè)符號(hào)。第1周期，天線1發(fā)c1，天線2發(fā)c2；在第2周期，天線1發(fā)-c*2，天線2發(fā)c*1。設(shè)由發(fā)射天線j到接收天線i的信道響應(yīng)為hij(i=1,2，j=1,2)，且設(shè)兩個(gè)相鄰符號(hào)周期內(nèi)hij是恒定的。對(duì)于接收天線1，相鄰兩周期的接收信號(hào)分別為：　　r11=h11c1+h12c2+η11　　r12=-h11c*2+h12c*1+η12　　其中，η11，η21為均值為零、方差為N0的相互獨(dú)立復(fù)高斯變量。令　　r1

7、=[r11,(r12)*]，c=[c1,c2]，η=[η11,η12]　　則上式可表為：　　r1=H1c+η1　　其中：　　并且H1*H1=ρ1I，H1*為H1的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，ρ1=

8、h11

9、2+

10、h12

11、2。若對(duì)接收矢量r1用H1*進(jìn)行線性變換，設(shè)變換后矢量為r1則有：　　r1=H1*r1=ρc+η　　上式歸結(jié)為兩個(gè)純量方程：　　r11=ρc1+η11　　r12=ρc2+η12　　即采用H1*就可將子流c1，c2分開，從而分別實(shí)現(xiàn)最優(yōu)處理?！　⊥瑫r(shí)考慮兩個(gè)接收天線時(shí)，相應(yīng)信號(hào)區(qū)分處理為：