| 引言
---隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,頻譜資源的嚴重不足已經(jīng)日益成為遏制無線通信事業(yè)的瓶頸。如何充分開發(fā)利用有限的頻譜資源,提高頻譜利用率,是當前通信界研究的熱點課題之一。
---多輸入多輸出（MIMO）無線通信技術(shù)的概念非常簡單,任何一個無線通信系統(tǒng),只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個天線或者天線陣列,就構(gòu)成了一個無線MIMO系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用空時處理技術(shù)進行信號處理。在多經(jīng)環(huán)境下,該技術(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,是新一代移動通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)實質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益,目前針對MIMO信道所進行的研究也主要圍繞這兩個方面。空間復(fù)用技術(shù)可以大大提高信道容量,而空間分集則可以提高信道的可靠性,降低信道誤碼率。
---空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多副天線,充分利用空間傳播中的多徑分量,在同一頻帶上使用多個數(shù)據(jù)通道(MIMO子信道)發(fā)射信號,從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。這種信道容量的增加不需要占用額外的帶寬,也不需要消耗額外的發(fā)射功率,因此是提高信道和系統(tǒng)容量一種非常有效的手段。
---空間分集是用來克服無線傳輸中的信道衰落的一種技術(shù),以分為接收分集和發(fā)射分集兩類,通�？梢哉J為SIMO系統(tǒng)是接收分集,MISO系統(tǒng)是發(fā)射分集。無線信號在復(fù)雜的無線信道中傳播產(chǎn)生Rayleigh衰落,在不同空間位置上其衰落特性不同。如果兩個位置間距大于天線之間的相關(guān)距離(通常相隔十個信號波長以上),就認為兩處的信號完全不相關(guān),這樣就可以實現(xiàn)信號空間分集接收。
---MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑衰落影響因素變成對用戶通信性能有利的增強因素。MIMO技術(shù)有效地利用了隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。MIMO技術(shù)成功之處主要是它能夠在不增加所占用的信號帶寬的前提下帶來無線通信的性能上幾個數(shù)量級的改善。因此在多天線相關(guān)的信道建模、信息論和編碼理論、信號處理算法、天線設(shè)計以及固定和移動的蜂窩設(shè)計每一面都取得了進展。 MIMO技術(shù)帶來無線通信系統(tǒng)的四大變革
 ---無線通信系統(tǒng)從發(fā)送端開始,首先經(jīng)過發(fā)送端編碼和發(fā)送端調(diào)制,然后通過無線通信鏈路到接收端天線,在接收端解調(diào)譯碼恢復(fù)原始信號。MIMO技術(shù)的引入是無線通信的一場革命,它的影響是全方位的。從無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看,MIMO技術(shù)通過和無線通信系統(tǒng)的各個關(guān)鍵部分相結(jié)合以改善系統(tǒng)的整體性能,如和編碼技術(shù)結(jié)合形成空時編碼技術(shù)、與調(diào)制技術(shù)結(jié)合形成MIMO OFDM技術(shù)、與天線技術(shù)結(jié)合成為多天線的智能天線系統(tǒng)。MIMO技術(shù)的引入使先前的通信信號的時頻域處理轉(zhuǎn)變?yōu)榭諘r頻三維的信號處理,極大的增強了系統(tǒng)性能。MIMO無線通信系統(tǒng)在以下一些方面具有巨大的潛力,如頻譜的高效使用、帶寬的動態(tài)分配、安全的無線應(yīng)用、更高的服務(wù)質(zhì)量、高性能的信號調(diào)制傳輸技術(shù)。為此,下一代MIMO無線通信系統(tǒng)使用了許多新的關(guān)鍵技術(shù),包括空時編碼技術(shù)、MIMO OFDM技術(shù)、智能天線術(shù)以及空時頻三維信號的自適應(yīng)技術(shù)等等。
---1. 空時編碼技術(shù)——MIMO與編碼技術(shù)的結(jié)合
---空時編碼技術(shù)是在1998年由Vahid Tarokh等人提出的一項基于發(fā)射分集的技術(shù)。Tarokh等人認為：如果在發(fā)射端采用適合多天線傳輸?shù)木幋a技術(shù),同時在接收端進行相應(yīng)地信號處理技術(shù),能獲得很大的性能增益,這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。
 ---最近幾年來空時編碼技術(shù)在無線通信領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。朗訊實驗室的Forchini和Gans,AT&T的Tarokh及其同事們在這方面作了關(guān)鍵性工作,率先提出了空時編碼的概念。空時編碼的有效工作需要在發(fā)射和接收端使用多個天線,因為空時編碼同時利用時間和空間兩維信號處理來構(gòu)造碼字,這樣才能有效抵消衰落,提高功率效率。并且能夠在傳輸信道中實現(xiàn)并行的多路傳送,提高頻譜效率。需要說明的是,空時編碼技術(shù)因為屬于空間分集的范疇,所以要求在多散射體的多徑情況下應(yīng)用,天線間距應(yīng)適當拉開以保證發(fā)射、接收信號的相互獨立性,以充分利用多散射體所造成的多徑（也稱之為充分多徑）。
 ---空時編碼方案結(jié)合了信道編碼和多發(fā)送天線,通過空時編碼后的數(shù)據(jù)被串并轉(zhuǎn)換成n個數(shù)據(jù)流,每一路數(shù)據(jù)流經(jīng)脈沖形成、調(diào)制,然后通過n個天線同時發(fā)送到無線空間。在接收端,可以用單一天線,也可以用多個天線進行接收,每一個接收天線接收到的是n個發(fā)送信號與干擾噪聲線性的疊加（衰落系數(shù)為權(quán)重）,然后通過最大似然檢測的方法,正確地識別出發(fā)送信號�？諘r譯碼算法和信道估計技術(shù)結(jié)合以獲得分集增益和編碼增益。
---目前,空時編碼基本上有空時分組碼(STBC)、空時格狀碼(STTC)和空時分層碼(BLAST)等多種。
---2. MIMO OFDM技術(shù)——MIMO與調(diào)制技術(shù)的結(jié)合
---OFDM是一種新的高效的多載波調(diào)制技術(shù),它能夠有效地對抗多徑傳播,使受到干擾的信號能夠可靠地接收。到目前為止,對于OFDM系統(tǒng)的研究已經(jīng)相當深入,同時對于MIMO系統(tǒng)研究也早在1998,1999年就有人提出空時碼的概念,利用空時碼和多個發(fā)射、接受天線來完成系統(tǒng)的發(fā)射分集和接受分集,可以說這就是MIMO系統(tǒng)的雛形。我們知道單純的OFDM系統(tǒng)要對抗無線環(huán)境中的多經(jīng)衰落是不夠的,他必須和相應(yīng)的分集技術(shù)結(jié)合起來,才能更好的發(fā)揮其功效。因此我們可以將MIMO系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)結(jié)合起來,即構(gòu)成MIMO OFDM系統(tǒng).這種系統(tǒng)利用的是空間分集。
---在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中,存在兩個最嚴峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道,從而減小了多徑衰落的影響。而MIMO技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道同時傳輸多路數(shù)據(jù)流,這樣就有效的增加了系統(tǒng)的傳輸速率,即由MIMO提供的空間復(fù)用技術(shù)能夠在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率。這樣,如果我們將OFDM和MIMO兩種技術(shù)相結(jié)合,就能達到兩種效果：一種是系統(tǒng)很高的傳輸速率,另一種是通過分集達到的很強的可靠性。同時,在MIMO-OFDM系統(tǒng)中加入合適的數(shù)字信號處理的算法能更好的增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
---3. 智能天線技術(shù)——MIMO與天線技術(shù)的結(jié)合
---MIMO技術(shù)的核心是空時信號處理,也就是利用在空間中分布的多個天線將時間域和空間域結(jié)合起來進行信號處理。因此,MIMO技術(shù)可以看作是智能天線的擴展,
---在多天線技術(shù)中,最受關(guān)注的是智能天線技術(shù),國際電聯(lián)已明確將智能天線技術(shù)作為三代以后移動通信技術(shù)發(fā)展的主要方向。智能天線通常也被稱作自適應(yīng)天線,主要用于完成空間濾波和定位。從本質(zhì)上看,智能天線利用了天線陣列中各單元之間的位置關(guān)系,即利用了信號的相位關(guān)系,這是它與傳統(tǒng)分集技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。從一定意義上看,智能天線可看作是一種空分多址SDMA,在SDMA中,多個用戶可共享一個信道,這將極大地增加系統(tǒng)容量。
---智能天線技術(shù)可以定義為:具有波束成形能力的天線陣列,可以形成特定的天線波束,實現(xiàn)定向發(fā)送和接收。智能天線可以利用信號的空間特征分開用戶信號、多址干擾以及多徑干擾信號。智能天線分為兩大類:多波束智能天線與自適應(yīng)陣智能天線,簡稱多波束天線和自適應(yīng)陣天線。
---更高數(shù)據(jù)速率和越來越復(fù)雜的工作特性必然要求下一代無線通信的天線系統(tǒng)提供精確而且靈活的干擾控制。而智能天線提供了一種方案來解決困擾無線網(wǎng)絡(luò)的根本問題。因此,智能天線一定會在移動通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。
---4.空時頻自適應(yīng)技術(shù)
---正交頻分復(fù)用技術(shù)由于能有效地抑制碼間干擾(ISI)而成為多徑衰落信道環(huán)境下傳輸高速數(shù)據(jù)的有效調(diào)制技術(shù)。但在傳統(tǒng)OFDM傳輸系統(tǒng)(即沒有采用空間分集和自適應(yīng)調(diào)制等性能增強技術(shù)的基本OFDM系統(tǒng))中,由于在所有的子載波中采用相同且固定的調(diào)制方式,因此它沒有充分利用各子載波的頻率選擇性衰落信道信息。為了克服這個缺點,人們提出了充分利用子載波信道特性的自適應(yīng)OFDM技術(shù)。在自適應(yīng)OFDM中,子載波上的調(diào)制方式隨信道質(zhì)量而自適應(yīng)變化,這樣就充分利用了各子載波的信道信息,從而大大地提高了系統(tǒng)的誤比特性能。
---MIMO系統(tǒng)中不同信道相互獨立,在高信噪比的情況下系統(tǒng)的容量幾乎跟發(fā)射端和接收端天線的最小數(shù)目成正比。不同調(diào)制技術(shù)也會給系統(tǒng)帶來不同的增益。根據(jù)一些已經(jīng)發(fā)表的論文,MIMO技術(shù)跟自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)結(jié)合可以獲得更大的系統(tǒng)增益,所以MIMO技術(shù)與先進自適應(yīng)技術(shù)結(jié)合的研究也成為無線通信研究的一個重要方面。
---MIMO與OFDM技術(shù)結(jié)合,可以將無線通信的信號處理從時頻分集擴展為時空頻分集,進一步分割信道為空時頻正交的子信道。這樣,我們就需要根據(jù)各個子信道的實際傳輸情況靈活的分配發(fā)送功率和信息比特。而且由于無線信道的頻率選擇性和時變性,也需要實時地對信道進行檢測,更加有效的利用無線資源。
---對于所有子載波都使用相同固定調(diào)制方案的通信系統(tǒng)來說,其誤碼率主要由經(jīng)歷衰落最嚴重的子載波決定。因此在頻率選擇性衰落信道中,隨著平均信噪比的增加,系統(tǒng)的誤碼率下降是十分緩慢的。但我們可以對不同的子信道采用不同傳輸方案。所有的傳輸方案要適應(yīng)每個子信道的信噪比。而且也可以對單個子信道的功率分配實現(xiàn)最優(yōu)化。（圖3為自適應(yīng)方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖） 結(jié)束語
---最近十年來隨著因特網(wǎng)和移動通信飛速發(fā)展,第三代移動通信也已經(jīng)引入了無線因特網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)。而在下一代移動通信系統(tǒng)(即所謂的Beyond 3G或4G)中,人們對傳輸速率提出了更高的要求,這就需要采用更先進的技術(shù)來實現(xiàn)更高的傳輸速率。然而頻譜資源總是有限的,要支持高速率就要開發(fā)具有極高頻譜利用率的無線通信技術(shù)。MIMO技術(shù)可以顯著提高無線系統(tǒng)的頻譜利用率,也非常適用于室內(nèi)環(huán)境下的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)使用,采用MIMO技術(shù)的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達到20～40 bit/s/Hz;而使用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz,在點到點的固定微波系統(tǒng)中也只有10～12 bit/s/Hz。MIMO技術(shù)作為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段得到人們越來越多的關(guān)注,已經(jīng)被認為是新一代無線寬帶通信系統(tǒng)的革命技術(shù)。
---MIMO技術(shù)將成為第三代和未來移動通信與個人通信系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率,提高傳輸質(zhì)量的重要途徑。
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