MIMO信道容量分析.docx-资料库

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1 MIMO 系统概述 1.1 无线通信发展现状远古时期已经出现了无线通信的雏形，古时候，每当敌人侵犯边疆，我军将士便会利用烽火台点燃狼烟。狼烟会将敌军入侵的消息进行传递，以便大家做好防御，并抵御外敌入侵。时光变迁，赫兹在 1896 年证实了电磁波的存在，“电波时代”从此成为无线通信的新代表。马可尼在 1897 年使无线电传输穿越布利思托尔海峡成为现实。至此，无线通信奠定了发展的基础。奈奎斯特在 1924 年开始对现代数字无线通信进行研究。他提出的带限信号采样定理使得数字化通信的变成现实。C.E.Shannon 在 1948 年发表了《通信的数学理论》这篇轰动一时的论文，此论文指明了数字通信系统的基本限制，并成为未来数字无线通信的数学理论来源。汉明在 1950 年进一步研究出被后人广泛沿用的实际通信系统纠错编码。随着人们对高速数据传输的要求，无线通信的发展越来越快。通信方式也由模拟变成数字方式，传输元素也由简单的数据或者语音的传输转变成多媒体传输，当然占用的带宽由数千赫兹不断增加到数千兆赫兹，无线通信技术的拓展使人类的生活变的更加便捷，社会经济也的到了飞速的发展。随着通信的发达“地球村"的概念也渐入人心，当然人们对更加先进的通信技术的期望和要求也不断增加，低成本也多业务的通信概念也被提了出来。于是第三代移动通信技术

例如：CDMA2000、WCDMA 和 TD．SCDMA，顺势而生，成为通信技术的里程碑性结果。由于商家的利益驱使、技术的的持续革新、以及政治的因素的影响，特别是知识产权等方面的因素，例如每个标准设备之间通信的因素，专利权等因素，第三代移动网络的商业运营并未达到理想状态。人们开始了对后 3G 或 4G 无线通信系统充满期待，LTE&MIMO 等技术呼之欲出。后 3G 或 4G 无线通信要实现降低成本增加业务的通信概念，一定避免不了交换、信号传输和接入等技术难题。具有极高的传输质量和传输速率的光纤技术，已基本解决大容量和远距离传输这个问题的困扰。而高速无线接入和高比特交换技术则是目前亟待解决的技术难题。包括多种接入技术的下一代无线通信体系，将会是一个异常复杂的网络系统。 1.2 MIMO 系统的发展 1.2.1 研究背景和意义 C.E.Shannon 给出了传统移动通信系统的信道容量极限公示 C=Wlog2（1+S/N），从公式可以看出：SNR 增大能有效提高频谱的利用率，如果发射(Transmit，TX)端提高 TX 功率，则接收(Receive，RX) 端的 S/N 也会随之增长，考虑到人的身体因素并不建议运用此方案，并且要制造出可以在较大的线性范围同时在较大的 TX 功率上运行的功率放大器是个很棘手的难题，而且在 TX 功率较高时，器件的产生

较多热量，散热方面又要处理。在传统移动通信系统（多用户）中，由于系统的热噪声通常会低于其它用户产生的干扰电平，故在此类情况下要提高信道容量通过增大 TX 功率的方式并无很好的效果。要提高频谱利用效率还可以利用分集技术，它包括 RX 分集和 TX 分集两种技术， RX 分集也叫做单输入多输出 (SingleInput Multiple Output，SIMO)系统，它利用最优合并的方法来提高 RX 端之信噪比(SNR，Signal Noise Rate)以便提升信道容量和频谱利用率； TX 分集也叫多输入单输出(MultipleInputSingleOutput，MISO)系统。如果信道的信息状态不被 TX 端提前预知，就无法使用自适应技术分配 TX 功率，也不能使用波束形成，信道容量的改进不明显。MIM0141 技术是由 SIMO 技术与 MISO 技术的发展就演化形成的，与 SIMO 系统和 MISO 系统比照，可获得明显的信道容量提升，打破了 C.E.Shannon 对 SISO 系统信道容量提出的限制。因此在第三代或者以后的 LTE 系统中无线 MIMO 技术的推广将势在必行。从更宽泛的角度讲 MIMO 技术能创造许多正交子信道同时通信、可以结合运用发射分集&接收分集技术，进而提升 ANT 增益和利用效率。而 4G 移动论坛(4GMF)贝 JJ 更偏向于 4G 系统的研究和开发，把重点集中子有开放无线结构(OWA)的 4G 移动通信系统，并与 802．20， B3C，mITF，WWRF，K4C，F4C，FUTURE 等论坛和组织互为补充。大幅提高无线通信速率是 4G 系统追求的目标，所以必须想办法打破传统移动通信体系的容量限制。通常，有三种方法可以提高无线通信的容量：

1．拓展已使用的频带； 2．设置更多的服务基站； 3．增加频谱的使用效率。有人提出把可使用的频带拓展到毫米波段，以便于使无线通信的传输速率提高，由于毫米波段的频带有更大的范围可以利用。可是现在的技术能力还达不到要求，以至于需付出更大代价，并且目前移动通信市场迫切需要的是使用微波波段的介于 WLAN 和 UMTS 之间设备。安装更多服务基站代表会增加更多蜂窝数量所以实现起来会更昂贵。所以可知，最优化的选择方法就是要增加频谱利用率。 LTE 或 4G 移动通信网络在频带利用、功能分布、业务范围上都将与 3G 系统有所不同，可以称之为分布网络(Distributionnetwork)和宽带接入(BroadbandAccess)，具有超过 2Mbps 的不对称的信息传送性能，其指标主要包含： ⑴ 是真正含义上的多媒体宽带移动无线通信体系，能够提供的无线数据传输速率峰值可以达到上百 Mbps，并可以支持包括高清晰视频播放、高速 INTERNET 数据下载在内的各种多媒体通信服务。 ⑵ 与因特网技术相互联系、互为补充、紧密结合，进而成为市场前景广阔，使用范围广泛，生命力强大的多媒体移动通信体系。 ⑶ 利用新的频段，移动传输效率得到大幅提高，大容量、高质量的无线移动通信需求得到满足。

如果想满足上面所要求的指标，务必要研究新的技术使之与其搭配，当然最重要的技术就是高速移动传输通信技术。 1.2.2 取得的进展信息论的探究说明无线 MIMO 系统可以使信道容量可以获得巨大提升。所以，国内外许多知名学术团体和大型跨国公司竞相开始了对 MIMO 技术的深入探讨。在传统的 GSM 通信系统中，并没有商业化的 MIMO 产品出现，3G 通信中也没有使用实际意义上的 MIMO 技术，仅使用了纯接收分集(SIMO)的解决方法。目前一些高端智能手机，比如苹果公司从 Iphone 4S 开始对 ANT 进行了重新设计引入了双 ANT 智能切换技术。 Lucent(朗迅)通信技术公司对 MIMO 技术进行了初期验证，对两款 BLAST 芯片进行了相关性能测试，芯片速度达到之前难以实现的 19.2Mbps，BLAST 研究组织也获得了以往难以达到的 Spectral efficiency：20 bps/Hz～40bps/Hz，而利用传统 GSM 通信体系的无线调制技术取得的 Spectral efficiency 仅仅只有：1bps/Hz-5bps/Hz，微波系统在 Point-to-Point 的情况下可获得的最大 Spectral efficiency 为： 10 bps/Hz-12bps/Hz，并且在 Bandwidth 为 30kHz 以内，贝尔(BELL) 实验室在上面的 Spectral efficiency 上使有效载荷 Data rate 达到了 0.5Mbps-1Mbps，而运用原来的通信技术，在此频带宽度范围内能可取得的最高 Data Rate 只有 50kbps；在 3GPP 条件下，下提供了使用 MIMO 技术在平坦衰落前提下，载波间距 5MHz，频段 2GHz-4GHz，

在移动信息传递下行链路中所取得的最高 Data Rate: 表 1-1 MIMO 结构下峰值 Data Rate （M，N）技术类型码速调制方式波束/子数子数据流数据流（kbps）（1,1）（2,2）（2,2）（4,4）传统 MIMO MIMO MIMO 3/4 3/4 3/4 1/2 64QAM 16QAM QPSK 8PSK 540 360 180 540 量 20 40 80 80 峰值速率（Mbps） 10.8 14.4 14.4 21.6 1.2.3 存在的问题 Foschini 和 Telatar 在无线多输入多输出领域做出了许多基础性的工作，目前已经提出了很多种实验系统，可利用蜂窝无线电系统 (Cellular Radio System)和固定接入系统(Fixed Access System)，这类研究已经获得重大成果。 1 天线的数量和间距要想实现 MIMO 系统的高频谱利用效率，在其系统设计中天线 (Antenna，ANT)数量的多少和各 ANT 之间距离是非常关键的因素，两者比较而言距离的设计更为重要。安置多 ANT，会对 ANT 周边的环境会形成很大程度的影响，所以 ANT 数量的设计并不是越多越好，比如有 4 支 ANT，各 ANT 的间距通常会使用 10 个波长，相对来说距离较大，这是缘于基站通常会设置于距离地面较高的位置，并不能保证总有本地散射体使衰落去相关。频率为 2GHz，ANT 间距为 10 倍波长，使用双极化 ANT，4 根 ANT 距离约为 1.5 米。ANT 之间距离超过半个波长就可以使终端有一定数量的衰落，由于个人移动用户

常常位于散射物体之中，并无直接传输途径，用户 ANT 最多安装 4 根，在实际安装时通常为 2 根。计算可知，4 根双极化 ANT 要占据的空间大约为 7.5cm，当然 7.5 cm 可以很简单就能嵌入笔记本电脑等设备中，但是对于手机等体积较小的个人通信设备来讲，为了改善外观和增强产品的吸引力，手机的 ANT 一般内置于机壳中，如果要把 ANT 嵌入到机壳中即使安装两根 ANT 也很困难，所以 ANT 的间距成为棘手的难题。 2 接收机的负载性 MIMO 接收机要比单 ANT 接收机复杂程度高的多，具体体现如下： 1 于实际通信中存在多用户，必须要减少相互之间的干扰，4× 4 的 MIMO 系统要比单 ANT 的接收机复杂约两倍； 2 信号传输的过程中必然会受到其他物体散射的影响而出现角度延展和延时扩展，MIMO 接收机需要额外解决干扰对消和均衡方面的问题； 3 接收机不只是刷新和追踪单个系数，信号传输过程中产生的路径延时和 OFDM 中的时隙，都必须及时追踪和刷新，导致 MIMO 的信道估计复杂性大大增加； 4 MIMO 系统比传统系统增加了 RF 链(与 RX ANT 的数量相同) 与相应的基带计算模块，以及接收机的隔离算法等都会增加设计的复杂性；除上述几种外还有很多因素影响接收机的复杂性比如手机电池的寿命长短等。

3 MIMO 信道模型 MIMO 系统的性能，受所处条件的多径信号影响比较严重。所以对户外与户内环境中无线 MIMO 通信信道的特点必须有相关认知，以便实现信道容量的大幅增加。建立合适的信道 Model，运用正确的测量手法和仪器，对于评估算法的好坏和预估系统的性能非常重要。无线信道具有时变特征，所以要分别创建 MIMO 信道的静态 Model 和动态 Model，只有创建了更周密的 Model，才可以仿真出算法对系统的性能的影响到底有多大。 4 MIMO 信道状态信息的获取和利用 MIMO 系统设计中另一个值得深入探讨的问题就是信道的状态信息(CSI)的准确获取和及时返回，信道容量是信道特征模式函数，如果发射机了解信道状态或部分信道的反馈信息，那么 TX 端就能够改变原始的平均分配 TX 功率而使用注水原理。假设信道相关矩阵也被提前预知，那么 TX 端就可以合理分配各支流的比特数、调整放大器的功率以及对信道编码进行管理以获得最大信道容量。 5 系统的集成和信号设计将来实际使用的 MIMO 接收机应该是两种模式并存的，因为 MIMO 系统需要与目前使用的非 MIMO 移动通信网络进行集成和相互融合。所以无线资源控制(RRC)可以帮助 MIMO 系统进行设计。比如说基站也应该了解通信终端是否处于 MIMO 状态，同时通信终端可以从下行链路的广播信号来确认基站是否处于 MIMO 状态。当然在非 MIMO 模式下，通信终端也应对基站进行相关回馈，在信道状

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