移動通信中MIMO技術(shù)研究

移動通信中MIMO技術(shù)研究

羅曉琴

(閩南理工學(xué)院 電子與電氣工程系，福建 石獅362700)

摘要：MIMO技術(shù)作為新一代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，在現(xiàn)代移動通信領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用。它可以有效地對抗無線通信過程中的多徑衰落問題，進(jìn)一步提升移動通信系統(tǒng)整體的性能；它可以顯著地提高無線系統(tǒng)的頻譜利用率，在一定程度上緩解了移動通信中頻譜資源緊缺的問題；它可以成倍地提高無線信道容量，為移動通信系統(tǒng)的高速率數(shù)據(jù)傳輸提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：MIMO；多徑干擾；空時編碼；移動通信

作者簡介：羅曉琴，助教，閩南理工學(xué)院。

基金項目：福建省中青年教師教育科研項目資助；福建省教育廳B類項“移動通信中MIMO技術(shù)的研究”(項目編號：JB14111，校內(nèi)科研號：14KYJ012)。

文章編號：1672-6758(2015)01-0047-4

中圖分類號：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：MIMO, as one key technology of the new generation mobile communication technology plays a decisive role in the modern mobile communication field. It can be effective against multi-path wireless communication in a fading problem, to further improve the performance of mobile communication system, improve the spectrum utilization rate of wireless system to a certain extent, and ease the shortage of spectrum resourcesin mobile communication. It is argued that the technology can improve the capacity of wireless channel, provide technical support for high data rate data transmission in a mobile communication system.

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以及人們生活品質(zhì)的提高，人們對通信技術(shù)的要求不再是兩點一線的簡單通話，低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。移動通信已成為現(xiàn)代人生活、工作、學(xué)習(xí)必不可少的一部分，滲透到我們生活的方方面面，豐富著我們的生活。但同時，我們也對移動通信提出了越來越高的要求。現(xiàn)代移動通信提供的業(yè)務(wù)形式種類繁多，面對不斷增加的業(yè)務(wù)量，移動通信必須采取新的技術(shù)來解決頻譜資源匱乏的問題。

移動通信的持續(xù)增長推動著新技術(shù)的誕生。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)多輸入多輸出技術(shù)作為新一代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以在不增加帶寬的情況下成倍的提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，為移動通信技術(shù)的發(fā)展提供不可或缺的技術(shù)支持。[1]

1MIMO的基本概念

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)多輸入多輸出是指在通信系統(tǒng)的基站和移動客戶端同時采用多天線設(shè)計，使得基站和客戶端之間能夠形成多條通信鏈路。相比較SIMO(Single-Input Multiple-Output) 和MISO(Multiple-Input Single -Output)而言，MIMO可以充分利用無線通信當(dāng)中的多徑傳播，在不增加信號帶寬和天線發(fā)射功率的情況下成倍的提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。[1]

如圖1所示，MIMO的系統(tǒng)模型是一種采用分立式的多天線實現(xiàn)空間分集接收的技術(shù)。信源信息在發(fā)送端通過空時編碼器形成n個信息子流Xnr，nr=1,2,……n。這nr個子流再通過n個天線發(fā)射，經(jīng)過空間信道之后再由nR個接收天線來接收。之后再由空時譯碼器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)子流的譯碼。從圖中我們可以看到MIMO技術(shù)將通信鏈路分解成很多個并行的子信道來提高容量。在無線頻譜資源相對匱乏的今天，MIMO系統(tǒng)由于其極高的頻譜利用率已成為未來移動通信系統(tǒng)中最富有競爭力的技術(shù)之一。[2]

圖1　 MIMO的系統(tǒng)模型

根據(jù)香農(nóng)理論，對于SISO信道的信道容量計算遵循以下公式：

(1)

很明顯，對于MIMO信道的容量會根據(jù)天線數(shù)目的變化而呈現(xiàn)出不同的容量。在發(fā)送端，總的數(shù)據(jù)量被分割成了多個相互獨立的數(shù)據(jù)流，原則上，傳輸信道的容量會隨著數(shù)據(jù)流的數(shù)量線性地增長，其信道容量可用下式描述：

(2)

其中，M表示被分割的數(shù)據(jù)流的個數(shù)。為了保證可靠傳輸，我們要求M的個數(shù)必須小于發(fā)射和接收天線的數(shù)目。

在無線傳輸過程中，多徑傳輸會引起信號能量的衰落，曾一度認(rèn)為是影響通信系統(tǒng)性能的有害因素。然而，對于MIMO系統(tǒng)而言，它反而可以被當(dāng)成一個有利的因素來加以利用。MIMO的多天線多路徑的設(shè)計，可以將多徑無線傳輸信道與發(fā)射端、接收端視為一個整體來優(yōu)化，再通過有效的空時編碼，就可以實現(xiàn)一種近于最優(yōu)的空時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。

2MIMO信道容量仿真

仿真是通過MATLAB來實現(xiàn)的，通過對發(fā)射天線數(shù)目、接收天線數(shù)目和信噪比這三個參量不同的設(shè)置來實現(xiàn)的。

圖2所示為在接收天線數(shù)目為4，不同信噪比情況下，發(fā)射天線數(shù)目的不斷增加對系統(tǒng)容量的影響。如圖所示的信噪比從上往下依次為15、10、5、0dB。

圖2　 發(fā)射天線數(shù)目與信道容量關(guān)系仿真圖

從圖2中我們可以看到接收天線數(shù)目和信噪比都一定的情況下，隨著發(fā)射天線數(shù)目的不斷增加，信道容量也在不斷地提升，但提升的幅度在不斷減緩，當(dāng)天線數(shù)目大于10后，容量幾乎都沒變。

圖3所示為在發(fā)射天線數(shù)目為4，不同信噪比情況下，接收天線數(shù)目的不斷增加對系統(tǒng)容量的影響。如圖所示的信噪比從上往下依次為15、10、5、0dB。

圖3　 接收天線數(shù)目與信道容量關(guān)系仿真圖

從圖3中我們可以得到和圖2類似的結(jié)果。隨著天線數(shù)目的增加，信道容量基本不變。

圖4所示為發(fā)射天線數(shù)目為2，接收天線數(shù)目從上往下依次為10、7、5、1，在接收天線數(shù)目不斷變化的過程中，信噪比和系統(tǒng)容量的關(guān)系。

圖4　 信噪比與信道容量仿真圖(1)

圖5所示為接收天線數(shù)目為2，發(fā)射天線數(shù)目從上往下依次為10、7、5、1，在發(fā)射天線數(shù)目不斷變化的過程中，信噪比和系統(tǒng)容量的關(guān)系。

圖5　 信噪比與信道容量仿真圖(2)

從圖4、圖5中我們可以看到，在發(fā)射天線數(shù)目和接收天線數(shù)目都一樣的情況下，信道容量隨信噪比的增加而提升。

從以上的分析結(jié)果中我們可以看出，在一定范圍內(nèi)，信道容量將隨著天線數(shù)目的增加而線性地增大，說明我們可以在不增加信號帶寬和天線的發(fā)射功率的前提下，通過MIMO信道成倍地提升信道的容量。同時，在信噪比不斷增加的情況下，信道容量也可以得到提升，而MIMO技術(shù)的應(yīng)用可以緩解多徑干擾對信號衰落的影響，提高信號整體的信噪比。由此，我們可以證明MIMO技術(shù)在信道系統(tǒng)中理論的正確性。

3MIMO與空時編碼相結(jié)合的技術(shù)

為了在無線傳輸中達(dá)到MIMO系統(tǒng)理論上的信道容量，必須采用適合的信道編碼方案，由此空時編碼應(yīng)運而生。它是一種實現(xiàn)空域和時域最佳結(jié)合的新興技術(shù)。MIMO在對信源進(jìn)行分離的過程中，為了減少各子信號流之間的相互干擾，要求各子信號流之間是相互獨立的。但信號在無線傳輸?shù)倪^程中，不可避免地會遭受到信道衰落和噪聲干擾的影響，嚴(yán)重的甚至?xí)斐尚盘柕闹袛?。為了便于接收端對原始信息的有效提取，通過空時編碼，使得不同天線上傳輸?shù)淖有畔⒘鞫紟в幸欢ǖ南嚓P(guān)性，它是MIMO達(dá)到其信道容量的一種有效、可行的方法。

空時編碼包含多種不同的編碼類型，有空時塊碼(STBC)、分層空時碼(LSTC)、空時格形碼(STTC)等。他們編碼的核心思想都是通過多徑來獲得更高的頻譜利用率和性能增益。[3]其中，STBC能獲得分集增益，但是不能獲取編碼增益；LSTC能獲得極大的頻譜利用率，但沒辦法得到完全的分集增益。而STTC可以完全獲得分集增益，以及很大的編碼增益，還能有比較高的頻譜利用率。它是實現(xiàn)通信系統(tǒng)性能、頻帶利用率、編譯碼復(fù)雜度之間的一個最佳折中，是一種最佳碼。

接下來，我們討論下STTC的基本設(shè)計準(zhǔn)則。假設(shè)系統(tǒng)有M個發(fā)射天線，N個接收天線。那么在空間當(dāng)中就有MN個子信道，同時我們假設(shè)這MN個子信道之間是相互獨立的。T代表發(fā)射信號矢量，R代表接收信號矢量，Hi,j代表第j個接收天線到第i個發(fā)射天線的信號衰落因子，l代表一幀的長度。

設(shè)發(fā)射信號為：

(3)

(4)

由上兩式可得差距陣：

(5)

Y(T，r)= X(T，r)XH(T，r)

(6)

其中XH(T,r)是X(T,r)的共軛轉(zhuǎn)置矩陣。

在瑞利衰落信道下，其設(shè)計遵循以下兩個準(zhǔn)則：

(1)秩準(zhǔn)則。

如果要獲得最大的分集增益NM，那么集合{X(T，r)︳T，r∈T}中的每一個X(T，r)都必須是滿秩的；若最小秩為s，那么分集增益可達(dá)到sN。

(2)行列式準(zhǔn)則。

按照以上兩個準(zhǔn)則就能構(gòu)造出STTC的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖了，之后再進(jìn)行相關(guān)的編碼設(shè)計就可以了。

移動通信需求的持續(xù)增長直接推動著無限通信新技術(shù)的誕生。[5]在眾多的新興技術(shù)中，MIMO作為未來無線通信的框架技術(shù)，能實現(xiàn)空間維度資源的高效應(yīng)用，在無線頻譜資源的利用上顯示出了非常大的潛力，它將會有一個廣闊的發(fā)展前景。隨著我們對高質(zhì)量、高效率的移動通信需求的不斷提升，MIMO在移動通信中的實際應(yīng)用將更進(jìn)一步地推進(jìn)其技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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Research of MIMO Technology in Mobile Communication

Luo Xiaoqin

(Electronic and Electrical Engineering Department, Fujian Institute of Technology, Shishi, Fujian 362700，China)

Key words：MIMO；Multi-path interference；space-time coding；mobile communication

Class No.:TN92Document Mark：A

(責(zé)任編輯：鄭英玲)