mimo系統(tǒng)中的天線選擇技術(shù)

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1、MIMO系統(tǒng)中的天線選擇技術(shù)作者：樊冰，周雪芳，孫文勝??時(shí)間：2007-04-11??來源:????摘要：MIMO系統(tǒng)是無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，他能夠極大地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。然而使用多個(gè)射頻的MIMO系統(tǒng)增加了天線的體積、功率和硬件，從而增加了成本。因此尋找具有MIMO天線優(yōu)點(diǎn)且低價(jià)格、低復(fù)雜度的最優(yōu)天線選擇極具吸引力?？偨Y(jié)了天線選擇的方案、介紹了兩類關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)算法和最新研究進(jìn)展，并在性能上進(jìn)行分析比較，最后指出了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用問題。關(guān)鍵詞：MIMO；天線選擇；空時(shí)編碼；無線通信引言隨著無線通信的迅猛發(fā)展，人們對(duì)無線

2、通信業(yè)務(wù)的類型和質(zhì)量的要求越來越高。在當(dāng)前頻譜資源下提高通信速率和可靠性的辦法之一就是使用多個(gè)發(fā)送和多個(gè)接收天線，也就是多輸入多輸出(MIMO)的通信系統(tǒng)。由于MIMO系統(tǒng)不可避免地要在發(fā)送端和接收端設(shè)置多副天線，導(dǎo)致其射頻鏈路的硬件成本和通信雙方為保持信道的非相關(guān)性所需空間的局限性(尤其是移動(dòng)終端)，以及天線數(shù)目的增加導(dǎo)致的空時(shí)碼編解碼的復(fù)雜性都在一定程度上限制了MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用，因此如何才能做到既要保持多天線系統(tǒng)較高的頻譜效率和較高的可靠性，又要降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本已逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)。目前，一種較有前景的技術(shù)就是在發(fā)送

3、端或者接收端進(jìn)行天線選擇，用以克服MIMO系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)。天線選擇方案最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則可分為2種：(1)以最大化多天線提供的分集增益提高傳輸質(zhì)量；(2)以最大化多天線提供的容量來提高傳輸效率。一般來說，天線選擇既可以在發(fā)送端進(jìn)行，也可以在接收端進(jìn)行，或者收發(fā)兩端同時(shí)進(jìn)行，他們對(duì)MIMO系統(tǒng)的性能影響不同，因此要視具體情況而定。接收天線選擇接收天線選擇與RAKE接收提供的類似，接收機(jī)可收到發(fā)送信號(hào)的幾個(gè)版本，每個(gè)都經(jīng)歷了不同的復(fù)數(shù)衰落系數(shù)和噪聲。假接收機(jī)有N個(gè)接收天線，要從N個(gè)天線選擇n個(gè)接收，經(jīng)過空間復(fù)用恢復(fù)原始數(shù)據(jù)輸出。系統(tǒng)框圖如

4、圖1所示。圖1　使用接收天線選擇的MIMO系統(tǒng)接收信號(hào)的分集合并方法主要有3種：選擇分集　選擇來自SNR最高的路徑信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；最大比合并(MRC)　基于路徑信號(hào)的最佳線性組合進(jìn)行判決；等增益合并(EGC)　簡(jiǎn)單地將各條路徑的信號(hào)相加。當(dāng)n=1時(shí)，即接收端只有一個(gè)RF分支，但為了進(jìn)行最佳選擇需要知道所有支路的SNR。解決此問題的方法之一是，基于信道增益的準(zhǔn)靜態(tài)性，在發(fā)送數(shù)據(jù)前綴使用訓(xùn)練序列，通過掃描天線，尋找信道增益最高的天線，選擇他來接收下一個(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)n≥2時(shí)，接收機(jī)的RF鏈路不止1條，可以選擇接收天線的一個(gè)子集然后進(jìn)行信號(hào)合并，

5、稱為廣義選擇。選擇路徑的合并可以通過MRC或EGC進(jìn)行，其中MRC具有更好的性能，但是算法較麻煩，而EGC比較簡(jiǎn)單，但效率較低。發(fā)送天線選擇對(duì)一發(fā)送天線選擇系統(tǒng)，假定從m個(gè)RF鏈和M根發(fā)天線(M>m)，接收端只有一根收天線。要從M根發(fā)天線中選擇最合適的m根天線。天線的選擇是在接收端進(jìn)行的，通過信道估計(jì)獲得信道準(zhǔn)確信息，選擇信道增益最佳的m個(gè)發(fā)送天線，再通過反饋鏈路通知發(fā)送端，如圖2所示。圖2　使用發(fā)送天線選擇的MIMO系統(tǒng)與收天線選擇不同，需要從接收端到發(fā)射端的反饋路徑。反饋速率很小，尤其是使用單天線選擇時(shí)，除了這個(gè)差別以外，發(fā)天線

6、選擇和收天線選擇很類似，選擇提供最高接收SNR的天線。要求發(fā)射機(jī)不僅知道m(xù)根最合適的天線，而且需要知道從每根發(fā)天線到接收機(jī)的復(fù)值信道增益。當(dāng)發(fā)射機(jī)知道信道信息，可以得到一些額外的容量。當(dāng)發(fā)射機(jī)完全知道所有的信道系數(shù)，信道容量將得到最大，即有信道狀態(tài)信息(CSI)的無線信道容量比沒有CSI的要高。收發(fā)聯(lián)合選擇收發(fā)聯(lián)合選擇是在發(fā)射端和接收端同時(shí)應(yīng)用選擇分集。如有M根發(fā)天線，N根接收天線，發(fā)送和接收端分別有m和n個(gè)RF鏈?？偟男诺谰仃嘓=M×N，選擇天線的信道矩陣為H′=m×n。通常要使用空時(shí)碼進(jìn)行分集，如圖3所示。聯(lián)合發(fā)送/接收選擇機(jī)制

7、必須選擇的行和列形成子集，最大化發(fā)收信道增益的幅度平方和，不易實(shí)現(xiàn)。天線選擇實(shí)現(xiàn)算法天線選擇實(shí)現(xiàn)算法很多，但一般可歸納為兩類：分集最大化的空時(shí)分組編碼算法和信道容量最大化的空間多路復(fù)用算法。圖3　使用聯(lián)合收發(fā)天線選擇的MIMO系統(tǒng)分集最大化的空時(shí)分組編碼算法對(duì)發(fā)射天線進(jìn)行有效配置和使多元發(fā)射天線的分集達(dá)到最佳的一組方案稱為空時(shí)編碼，他結(jié)合了信道編碼和多發(fā)射天線，通過空時(shí)碼后的數(shù)據(jù)被串并轉(zhuǎn)換成m個(gè)數(shù)據(jù)流，每一路數(shù)據(jù)流經(jīng)過編碼調(diào)制，通過m天線同時(shí)發(fā)送到信道。接收端通過最大似然檢測(cè)方法，正確識(shí)別發(fā)送信號(hào)?？蓪⒖諘r(shí)譯碼算法和信道估計(jì)技術(shù)結(jié)合

8、從而獲得分集增益和編碼增益?？諘r(shí)格碼STTC(Space—TimeTrellisCode)是由Tarokh首先提出，他是在時(shí)延分集的基礎(chǔ)上與TCM編碼結(jié)合得到的，是一種改進(jìn)的傳輸分集方式，適用于多種無線信道環(huán)境。STTC的頻帶利用率不