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1、4G中的MIMO智能天線技術一、引言 智能天線通常也稱作自適應天線陣列,可以形成特定的天線波束,實現(xiàn)定向發(fā)送和接收,主要用于完成空間濾波和定位。從本質上看,它利用了天線陣列中各單元之間的位置關系,即利用了信號的相位關系克服多址干擾及多徑干擾,這是它與傳統(tǒng)分集技術的本質區(qū)別。 MIMO系統(tǒng)是指在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線的通信系統(tǒng),其有效地利用隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務傳輸速率。其核心技術是空時信號處理,即利用在空間中分布的多個時間域和空間域結合進行信號處理。因此,可以被看作是智能天
2、線的擴展。 智能天線系統(tǒng)在移動通信鏈路的發(fā)射端/或接收端帶有多根天線,根據(jù)信號處理位于通信鏈路的發(fā)射端還是接收端,智能天線技術被定義為多入單出(MISO,MultipleInputSingleOutput)、單入多出(SIMO,SingleInputMultipleOutput)和多入多出(MIMO,MultipleInputMultipleOutput)等幾種方式?! 《⒍嗳攵喑鲋悄芴炀€收發(fā)機結構及研究進展 從圖1可以看出,比特流在經過編碼、調制和空時處理(波束成行或空時編碼)后,映射成不同的信息符
3、號,從多個天線同時發(fā)射出去;在接收端用多個天線接收,進行相應解調、解碼及空時處理。 圖1 多輸入多輸出智能天線收發(fā)機結構MIMO系統(tǒng)中的空時處理技術主要包括波束成形(beamforming)、空時編碼(space-timecoding)、空間復用(spacemultiplexing)等。波束成形是智能天線中的關鍵技術,通過將主要能量對準期望用戶以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干擾,其關鍵是波束成行權值的確定。1.MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案 MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案主要分為兩種類型:最大化數(shù)據(jù)率的發(fā)射
4、方案(空間復用SDM)和最大化分集增益的發(fā)射方案(空時編碼STC)。最大化數(shù)據(jù)率發(fā)射方案主要通過在不同天線發(fā)射相互獨立的信號實現(xiàn)空間復用??諘r編碼的方案是指在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率,它通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度,從而使信號在接收端獲得分集增益,但空時編碼方案不能提高數(shù)據(jù)率?! 。?)空時編碼一些文獻中給出了大量的發(fā)射機制,這些機制分別可以使頻譜效率最大、速率最高、信噪比(SNR,SignaltoNoiseRatio)最大,它們都依賴信道狀態(tài)信息(CS
5、I,ChannelStateInformation)在發(fā)射端和接收端的已知程度。CSI在接收端通過信道估計可以獲得,然后,通過反饋可以通知發(fā)射端。 對于發(fā)射端不需要CSI的發(fā)射機制,可以引入空時編碼或者采用空間復用增益來利用空間維數(shù)??諘r編碼主要分為空時格碼和空時塊碼。接收到的信號通過最大似然(ML,MaximumLikelihood)譯碼器進行檢測。最早的空時編碼是空時格碼STTC(Space-TimeTrellisCode),在這種方式下,接收端需要多維維特比算法。STTC可以提供的分集等于發(fā)射天線的
6、數(shù)目,提供的編碼增益取決于碼字的復雜度而無需犧牲帶寬效率??諘r分組編碼(STBC,Space-TimeBlockCode)可以提供與STTC相同的分集增益,但是它沒有編碼增益。又由于STBC在譯碼時只需要線性處理,因此,通常都使用STBC??諘r編碼技術一般假設CSI在接收端是完全已知的,當CSI在兩端都未知時,提出了酉空時編碼和差分空時編碼。 ?。?)空間復用空間復用是指在發(fā)射端發(fā)射相互獨立的信號,在接收端用ZF,MMSE,ML,V-BLAST[3]等方法進行解碼。它能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率,可犧
7、牲一些數(shù)據(jù)率獲得更高的分集增益。3)空間復用和空時編碼結合將空間復用和空時編碼相結合,在保證每個數(shù)據(jù)流獲得最小分集增益的條件下,最大化平均數(shù)據(jù)率。目前,將空間復用和空時編碼相結合的方案主要有兩種,鏈接編碼和使用塊碼映射的自適應MIMO系統(tǒng)。鏈接編碼方案是指在內部使用空時編碼,外部使用傳統(tǒng)的信道糾錯碼(TCM,卷積碼,RS碼)的編碼方案[4],這種方案既能提供分集增益,又能提高系統(tǒng)容量。因為信道間的相關性將影響多天線系統(tǒng)的頻譜效率,當信道處于理想狀態(tài)或信道間相關性小時,發(fā)射端采用空間復用的發(fā)射方案,當信道間相
8、關性大時,采用空時編碼的發(fā)射方案?! ?.MIMO的接收分集技術 MIMO系統(tǒng)在接收端的解碼算法主要有ZF算法、MMSE算法、判決反饋解碼算法、最大似然解碼算法和分層空時處理算法(belllabslayeredspace-time,BLAST)。其中,迫零算法和MMSE算法是線性算法,而判決解碼算法,最大似然解碼算法和分層空時處理算法是非線性算法。在SIMO或者MIMO通信鏈路的接收端,接收機或者均衡器利用多徑