MIMO天線各種技術(shù)分析

多入多出(MIMO)系統(tǒng)指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的通信系統(tǒng)。研究證明，MIMO技術(shù)非常適用于城市內(nèi)復(fù)雜無線信號(hào)傳播環(huán)境下的無線寬帶通信系統(tǒng)，在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到20～40 bit/s/Hz;而使用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動(dòng)蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz，在點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射頻信號(hào)多徑會(huì)引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。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?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，被認(rèn)為是新一代無線通信技術(shù)的革命。

　　1 MIMO系統(tǒng)的3種主要技術(shù)

　　當(dāng)前，MIMO技術(shù)主要利用發(fā)射分集的空時(shí)編碼、空間復(fù)用和波束成型等3種多天線技術(shù)來提升無線傳輸速率及品質(zhì)。

　　1.1 發(fā)射分集的空時(shí)編碼

　　基于發(fā)射分集技術(shù)的空時(shí)編碼主要有2種，即空時(shí)分組碼(STBC)和空時(shí)格碼(STTC)。雖然空時(shí)編碼方案不能直接提高數(shù)據(jù)率，但是通過這些并行空間信道獨(dú)立、不相關(guān)地傳輸信息，從而使信號(hào)在接收端獲得分集增益，為數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制創(chuàng)造條件。

　　1.1.1 空時(shí)分組碼(STBC)

　　STBC在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤率，它通過在發(fā)射端增加信號(hào)的冗余度，使信號(hào)在接收端獲得分集增益，空時(shí)分組碼是將同一信息經(jīng)過正交編碼后從多根天線發(fā)射出去。MIMO系統(tǒng)的原理如圖1所示，傳輸信息流s(k)經(jīng)過空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci(k)，i=1，...，N。這N個(gè)信息子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。特別是這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)射信號(hào)，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立不相關(guān)，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。

　　STBC是1998年，Alamouti提出的一種非常簡(jiǎn)單的發(fā)射分集技術(shù)，由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和良好的性能，很快進(jìn)入了3GPP標(biāo)準(zhǔn)。STBC實(shí)質(zhì)上是將同一信息經(jīng)過正交編碼后從2個(gè)天線上發(fā)射出去，2路信號(hào)由于具有正交性，在接收端就能將2路獨(dú)立的信號(hào)區(qū)別出來，只需要做簡(jiǎn)單的線性合并就可以獲得分集增益。

　　但是，STBC的正交碼組的構(gòu)建還存在一定的問題。對(duì)于實(shí)數(shù)信號(hào)星座(PAM星座)，它才可以構(gòu)造編碼速率為1的空時(shí)編碼算法。但是，對(duì)于一個(gè)普通的復(fù)數(shù)信號(hào)星座，例如MQAM(如16QAM)或MPSK(如8PSK)，當(dāng)發(fā)射天線陣子數(shù)目大于2時(shí)，是否存在編碼速率為1的碼組還有待更深入的研究。目前對(duì)于發(fā)射天線陣子數(shù)目等于3、4以及大于4的系統(tǒng)，如果采用復(fù)數(shù)信號(hào)星座，那么最大的空時(shí)編碼速率只能達(dá)到3/4和1/2?？梢?，對(duì)于采用高階調(diào)制的高速率多天線的無線通信系統(tǒng)，如果直接采用空時(shí)分組編碼算法，不可能充分地利用系統(tǒng)的有效性。因此，尋找更好的空時(shí)分組碼目前已成為一個(gè)研究方向;另外，如何在頻率選擇性信道、時(shí)間選擇性信道中充分利用空時(shí)分組碼的優(yōu)勢(shì)也是一個(gè)研究課題?？傊?dāng)前STBC還是基于發(fā)射天線陣子數(shù)目等于2的發(fā)射分集技術(shù)。

　　
1.1.2 空時(shí)格碼(STTC)

　　STTC是從空時(shí)延遲分集發(fā)展來的，而空時(shí)延遲分集可以看作是空時(shí)格碼的一個(gè)特例?？諘r(shí)格碼具有卷積碼的特征，它將編碼、調(diào)制、發(fā)射分集結(jié)合在一起，可以同時(shí)獲得分集增益和編碼增益，并且使得系統(tǒng)的性能有很大的提升?？諘r(shí)格碼利用某種網(wǎng)格圖，將同一信息通過多個(gè)天線發(fā)射出去，在接收端采用基于歐式距離的Viterbi譯碼器譯碼。因此譯碼復(fù)雜度較高，而且譯碼復(fù)雜度將隨著傳輸速率的增加呈指數(shù)增加。

　　早期的分集模型采用延時(shí)發(fā)送分集，這種分集的框圖如圖2所示。編碼后的數(shù)據(jù)首先被重復(fù)一次，然后通過一個(gè)串/并轉(zhuǎn)換器，分成2個(gè)完全相同的數(shù)據(jù)流。其中一數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制后直接從一個(gè)天線發(fā)送出去;另一數(shù)據(jù)流經(jīng)過一個(gè)符號(hào)的延時(shí)后，再經(jīng)調(diào)制從另一個(gè)天線發(fā)送出去。由于數(shù)據(jù)在2個(gè)天線上同時(shí)發(fā)送，不同的只是一路數(shù)據(jù)被延時(shí)了一個(gè)符號(hào)，所以盡管采用了延時(shí)編碼，卻不會(huì)存在頻帶效率的損失。在接收端，通過Viterbi譯碼可以進(jìn)行解調(diào)。這種延時(shí)的分集就是空時(shí)碼的雛形?？梢宰C明當(dāng)前所講的STTC可以由延時(shí)發(fā)送分集實(shí)現(xiàn)。

　　延時(shí)分集技術(shù)的產(chǎn)生使人們很自然地想到，能否存在一種更好的編碼方式，不需要重復(fù)編碼，就能在保持同樣的數(shù)據(jù)速率、不犧牲帶寬的情況下獲得更好的性能，這樣就產(chǎn)生了一種新的編碼方式，這就是集空分、時(shí)分、調(diào)制于一體的空時(shí)編碼。

　　在空時(shí)編碼中，STTC能夠在不增加傳送寬帶和不改變信息速率的情況下，獲得最大的編碼增益和分集增益。

　　1.2 空間復(fù)用

　　系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分割成多份，分別在發(fā)射端的多個(gè)天線上發(fā)射出去，接收端接收到多個(gè)數(shù)據(jù)的混合信號(hào)后，利用不同空間信道間獨(dú)立的衰落特性，區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。從而達(dá)到在相同的頻率資源內(nèi)獲取更高數(shù)據(jù)速率的目的?？臻g復(fù)用與發(fā)射分集技術(shù)不同，它在不同天線上發(fā)射不同信息。

　　空間復(fù)用技術(shù)是在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，此時(shí)的空口信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增大，從而能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率(見圖3)。

　　使用空間復(fù)用技術(shù)時(shí)，接收端必須進(jìn)行復(fù)雜的解碼處理。業(yè)界主要的解碼算法有迫零算法(ZF)、MMSE算法、最大似然解碼算法(MLD)和貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)處理算法(BLAST)。

　　迫零算法，MMSE算法是線性算法，比較容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)信道的信噪比要求較高，性能不佳;MLD算法具有很好的譯碼性能，但它的解碼復(fù)雜度隨著發(fā)射天線數(shù)量的增加呈指數(shù)增加，因此，當(dāng)發(fā)射天線的數(shù)量很大時(shí)，這種算法是不實(shí)用的;綜合前述算法優(yōu)點(diǎn)的BLAST算法是性能和復(fù)雜度最優(yōu)的。

　　BLAST算法是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的一種有效的空時(shí)處理算法，目前已廣泛應(yīng)用于MIMO系統(tǒng)中。BLAST算法分為D-BLAST算法和V-BLAST算法。

　　D-BLAST算法是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的G.J.Foschini于1996年提出的。對(duì)于D-BLAST算法，原始數(shù)據(jù)被分為若干子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子流獨(dú)立進(jìn)行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線。D-BLAST的好處是每個(gè)子流的數(shù)據(jù)都可以通過不同的空間路徑到達(dá)接收端，從而提高了鏈路的可靠性，但其復(fù)雜度太大，難以實(shí)際使用。