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MIMO系统

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【摘要】:
MIMO系统(Multiple-Input Multiple-Output)是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

MIMO系统(Multiple-Input Multiple-Output)是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

MIMO系统却能有效地利用多径的影响来提高系统容量。系统容量是干扰受限的,不能通过增加发射功率来提高系统容量。而采用MIMO结构不需要增加发射功率就能获得很高的系统容量。因此,将MIMO技术与OFDM技术相结合是下一代无线局域网发展的趋势。在OFDM系统中,采用多发射天线实际上就是根据需要在各个子信道上应用多发射天线技术,每个子信道都对应一个多天线子系统、一个多发射天线的OFDM系统。

定义

多进多出(multiple input multiple output,MIMO)是为极大地提高信道容量,在发送端和接收端都使用多根天线,在收发之间构成多个信道的天线系统。
多进多出是一种相当复杂的天线分集技术。多径效应会影响信号质量,因此传统的天线系统都在如何消除多径效应上动脑筋。而MIMO系统正好相反,它利用多径效应来改善通信质量。在MIMO系统中,收发双方使用多副可以同时工作的天线进行通信。MIMO系统通常采用复杂的信号处理技术来显著增强可靠性、传输范围和吞吐量。发射机采用这些技术同时发送多路射频信号,接收机再从这些信号中将数据恢复出来。

MIMO系统

MIMO无线通信系统是未来移动与无线通信系统的关键技术之一。MIMO系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率,在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益,其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。

关键模块

1.MIMO系统信道模型建模
MIMO系统的性能在很大程度上取决于信道模型,尽管目前已经存在标准化的无线传播模型,并且今年来在大量实测与理论研究工作的基础上提供了许多种MIMO信道模型,但是至今还没有被ITU所认可的标准化MIMO信道模型(3GPP已制定出了有关MIMO的信道模型标准)。因此,了解和掌握户内和户外环境中无线MIMO信道的特性,建立MIMO信道的静态模型和特定的动态模型,对选择合适的系统结构和设计优良的信号处理算法以实现MIMO系统潜在的巨大信道容量、取得预期的性能至关重要。 
2.MIMO系统的容量
相对于传统的单天线系统,MIMO系统无论在性能还是在数据的传输速率上都是有很大的提高,首先对MIMO系统的信道容量进行了深入分析的是Telestar和Foschini,它们分别对高斯噪声下的MIMO系统容量的研究表明,在假设各天线相互独立条件下,多天线系统比单天线系统有显著地提高,考虑M副发送天线、N幅接收天线的无线传输系统,在接收端以准确知道信道传输特性的情况下,Foschini的研究表明:当M=N时,得到的与N成比例增加的信道容量。在相同发射功率和传输宽带下,该系统比单入单出(SISO)系统的信道容量提高了约40多倍。 
3.MIMO天线阵列的设计
一般情况下,基站天线架设的较高,天线阵列周围的近场散射相对较为微弱,因而为了在不同阵元上获取不相关的信号往往需要将阵元间至少保持10倍波长间距。当天线数量较大时,基站线阵列的架设将可能存在障碍。对于移动终端而言,由于近场散射体较为丰富,一般认为天线阵元间距1/2波长以上就可以使信号相关性足够微弱。极化天线阵可以在同一空间位置利用相互正交的极化状态实现阵元见得不相关性,因而可相对的减小天线阵列的尺寸。 
4.MIMO系统的信号处理
处于衰落环境中的阵列天线通信系统面临着同信道干扰和符号间干扰。为了逼近多天线系统的容量需要很好地信号处理技术。高性能、低复杂度的信号检测方法或联合检测方法一直是研究者的热点内容。 
5.MIMO系统的复杂度问题
由于MIMO系统中信号被扩展至空时二维中,与单天线系统相比,其信道估计、信道均衡、译码、检测环节的复杂度都将随着天线数量或者信号调制阶数的增长而急剧增加,而算法计算量又将直接影响到处理时延、设备功耗以及待机时间。同时,在实际应用中,限制MIMO系统的一个关键因素就是多个射频链路所带来的的昂贵成本。对于降低“软件”的计算复杂度,为MIMO系统提供更为简单而且有效的信号处理方法和各种空时编、译码方案层出不穷。对于降低“硬件”成本,天线选择则是一项非常关键的技术,其可在保持MIMO技术优点的同时,大幅度降低处理复杂度和硬件成本,是将MIMO系统推向实用化的一个研究重点。
6.MIMO系统的分集与复用
MIMO系统的本质是提供分集增益和复用增益。前者保证系统的传输可靠性,后者提高系统的传输速率。早期文献大多数集中在发送分集和空间复用单独使用或单独与编码结合使用,研究表明,多天线系统能同时提供分集和空间复用,两者之间存在折衷关系。通过合理利用MIMO系统分集和复用两种模式来最大限度获得系统增益是非常值得探讨的。
7.(多小区)多用户MIMO系统
从理论上讲,多用户MIMO系统的容量域已经得到解决,但是如何让容量域满足各种用户对传输速率的要求,仍然没有很好地解决。再者,在广播信道中,由于MIMO系统存在天线间和用户间干扰,如何设计发送向量以消除用户间的共信道干扰,如何使功率受限时系统的容量和每个用户特定QoS的功率控制最优化的问题,以及存在多小区多用户系统时的相关技术仍是研究重点。 

MIMO技术基本原理

MIMO技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。MIMO技术的实质是为系统提供空间分集增益与空间复用增益。 
发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去,接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。根据空时映射方法的不同,MIMO技术大致可以分为两类:空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去,同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号,从而获得分集提高的接收可靠性。举例来说,在慢瑞利衰落信道中,使用一根发射天线n 根接收天线,发送信号通过n 个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的,可以获得最大的分集增益为n 。对于发射分集技术来说,同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n 根接收天线的系统中,如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落,可以获得的最大分集增益为mn。目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时分组码(Space Time Block Code,STBC)和波束成形技术。STBC是基于发送分集的一种重要编码形式,其中最基本的是针对二天线设计的Alamouti方案。
STBC方法,其最重要的地方就是使得多根天线上面要传输的信号矢量相互正交。使用STBC技术,能够达到满分集的效果,即在具有M根发射天线N 根接收天线的系统中采用STBC技术时最大分集增益为MN。波束成形技术是通过不同的发射天线来发送相同的数据,形成指向某些用户的赋形波束,从而有效提高天线增益。为了能够最大化指向用户的波束的信号强度,通常波束成形技术需要计算各个发射天线上发送数据的相位和功率,也称之威波束成形矢量。常见的波束成形矢量计算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根发射天线采用波束成形技术可以获得的最大发送分集增益为M。空间复用技术是将要传送的数据可以分成几个数据流,然后在不同的天线上进行传输,从而提高系统的传输速率。常用的空间复用方法是贝尔实验室提出的垂直分层空时码,即V-BLAST技术。

大规模MIMO

智能终端迅速普及将移动数据业务需求推到一个更高的水平上,从而导致了频谱资源的严重短缺。大规模技术主要挑战包括导频污染、波束赋型、预编码和高性能信号检测等。 

技术优势

大规模MIMO技术采用大量天线来服务数量相对较少的用户,可以有效提高频谱效率。国内外研究机构围绕吞吐量、传输功率效率、预编码和接收端设计等方面对大规模技术进行了深入研究。另一方面,能耗效率是又一关键性能指标。大规模MIMO不仅能够有效提高系统信道容量,同时还能显著改善无线系统的能耗效率。 

大规模MIMO与传统MIMO性能对比

 

大规模MIMO与传统MIMO相比具有诸多特点。导频污染成为大规模MIMO技术的关键性限制因素,这是因为随着基站天线数量的增加,相邻小区的用户在上行道估计中使用同一组(或非正交的)训练序列,从而导致基站端信道估计结果并非本地用户和基站间的信道,而是被其他小区用户发送的训练序列所污染的估计。此外,信道测量、建模与估计、波束赋型/预编码与检测设计、硬件复杂度等问题也将限制大规模MIMO系统的实现。
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