MIMO、空时码与智能天线系统

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1、MIMO、空时码与智能天线系统孙岳《宽带无线通信》报告引言在无线移动通信中，由于存在多径效应及多用户干扰等现象，使得其信道特性十分复杂。在信道衰减严重时，如果没有其他有关发射信号的辅助信息，接受端很难做出正确的判决。如何解决时变的信道衰落所带来的影响，是无线通信与光纤通信等有线通信方式相比面临的一个重要挑战。另一方面：随着通信的发展，用户要求现代移动通信网应该具有提供2Mbit/s以上的高速率业务如多媒体业务的能力。引言下一代移动通信系统应致力于解决以下两个问题：l增强系统通信的可靠性l提高系统的频带利用率引言分集技术是利用多径信号来改善系统的性能一种抗衰落

2、技术。它将接收到的多径信号变成互不相关的信号，并在接收端对这些信号进行适当的处理，从而改善传输的可靠性。对于频带利用问题，单纯地提高数据速率虽然可以有高的频带占用率，但移动通信的多径时变的信道特性会造成时间和频率上的选择性衰落。引言与此同时随着移动通信的发展，移动用户数和服务数不断增加，原有的蜂窝小区容量已经不能满足需要。为满足不断增加的用户对容量的要求，人们把原有的蜂窝小区细分成更小的蜂窝小区，以增加频率复用。进一步在基站以方向天线代替原来的全向天线，以改善信噪比来提高小区容量，这一技术被称作小区扇形分割。虽然采用了扇形分割，但仍然不能解决容量问题。系统设

3、计者开始考虑动态的分割一个小区,从而形成了智能天线系统。分集技术时间分集：对于一个随机衰落的信号来说，若对其增幅进行顺序采样，那么在时间上间隔足够远（大于相干时间）的两个样点是互不相关的。因而，可以将给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传输M次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到M条独立的分集支路。目前常用的分集技术有：分集技术频率分集：将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频之间的间隔大于相干带宽，那么接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。但这种方法牺牲了频率资源。角度分集：由于地形地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来自不同

4、的方向。在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达的方向，则每个方向性天线分集天线接收到的多径信号是不相关的，从而达到分集的目的。空间分集：空间分集的系统在发端采用N个发射天线，收端采用M个接收天线。接收端天线之间的间隔d应足够大以保证个接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的。MIMO系统图1MIMO信道模型MIMO系统，即多输入多输出系统，如下图所示：MIMO系统MIMO空间复用技术是一项增加空中链路数据率的多天线技术。在MIMO系统中，单个数据流被分为多个独立的子数据流，这些子数据流分别被调制后，通过不同的天线在相同的无线信道发送，显然，子数据流的

5、发送速率要低于原数据流。在接受端，这多个子数据流被接收后，再合并为一个数据流。MIMO系统的主要特征是利用多径传播给用户带来好处。在平坦瑞利衰落信道下MIMO系统的信道容量（利用率）公式为：（1）其中，n是发送天线数，m是接收天线数，SNR是信噪比。MIMO系统MIMO系统在衰落信道下，具有多个收发天线的无线通信系统能够提供大的容量。[1]指出：如果接收端可以准确地估计信道信息，并保证不同发射－接收天线对之间的衰落相互独立，对于一个拥有m个发射天线和n个接收天线的系统，能达到的信道容量随着min(m,n)的增加而线性增加，如图2所是示。也就是说，在其它条件都

6、相同的前提下，多天线系统的容量是单天线系统的min(m,n)倍。这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率。MIMO系统图2接收天线等于发送天线的MIMO系统的遍历信道容量MIMO系统图3不同MIMO系统的可获速率比较空时码空时码就是在以上信息理论基础上发展起来的,是适合于多天线阵信道的一种编码方案。它综合了空间分集和时间分集的优点，同时提供分集增益和编码增益。从信息论的角度看，多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高。这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率(频带利用率)，也可以通过增加信息冗余度来提高通信系统的性能，或在两者之间取合理的折中。空时

7、码从这个角度理解，如果说TCM技术使得单天线系统的信道容量得以充分利用的话，那么空时编码技术就是考虑在多天线系统下如何充分利用信道容量的一项技术。现有的研究表明，空时码能够获得远远高于传统单天线系统的频带利用率，为解决无线信道的带宽问题提供了一个新的解决方案。空时码按照空时码适用信道环境的不同，可以将已有的空时编码方案分成两大类：一类要求接收端能够准确地估计信道特性，如分层空时码、网格空时码和分组空时码。另一类不要求接收端进行信道估计，如酉空时码和差分空时码。智能天线系统本质上讲，智能天线是蜂窝小区扇形分割的延伸，它使得扇形区由多个波束来覆盖。由于智能天线能

8、够将其辐射波束聚焦在有用信号上，同时抑制其它干扰信号