MIMO:新一代移动通信核心技术

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多输入多输出(MIMO)技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收,从而改善每个用户的服务质量(误比特率或数据速率)。

MIMO技术对于传统的单天线系统来说,能够大大提高频谱利用率,使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。目前,各国已开始或者计划进行新一代移动通信技术(后3G或者4G)的研究,争取在未来移动通信领域内占有一席之地。随着技术的发展,未来移动通信宽带和无线接入融合系统成为当前热门的研究课题,而MIMO系统是人们研究较多的方向之一。本文重点介绍MIMO技术的五大研究热点。

MIMO信道的建模和仿真

为了更好地利用MIMO技术,必须深入研究MIMO信道特性,尤其是空间特性。与传统信道不同的是,MIMO信道大多数情况下都具有一定的空间相关性,而不是相互独立的。在2001年11月的3GPP会议中,朗讯、诺基亚、西门子和爱立信公司联合提出了标准化MIMO信道的建议。3GPP和3GPP2推荐的链路级MIMO信道的建模方法有两个:基于相关(Corrlration-Based)的方法和基于子径(EAGC-A14H)的方法。尽管3GPP和3GPP2对链路级的信道参数进行了定义,但是对于如何实现并没有达成共识。研究信道的相关性对系统容量的影响成为MIMO技术的研究方向之一。

另外,目前对MIMO系统的研究都是假定在理想信道条件下进行的,而实际上在接收端无线传播环境中是不可能知道信道冲激响应的,因此要进行信道估计。由于在MIMO系统中进行信道估计时,天线之间存在着干扰,因此,研究在天线之间存在干扰时的信道估计方法也是目前研究的热点。

MIMO系统的天线选择技术

因为多天线需要多射频RF电路,而RF又非常昂贵,因此,寻找具有MIMO天线优点且低价格、低复杂度的最优天线子集选择技术极具吸引力。多天线选择发送接收系统就是利用一定的准则从M根发送天线中选择MS根天线用于发送信号,同样在接收端从N根接收天线中选择NS根用于接收信号,这样就构成了选择的MS×NS的MIMO系统。一般来说,与多天线的应用对应,选择准则也可分为两种:一种是以最大化多天线提供的分集来提高传输质量;另一种是以最大化多天线提供的容量来提高传输效率。

MIMO系统的信号处理

早期关于MIMO技术的研究大多数还集中在单用户点到点的环境中,而没有考虑其他用户的共信道干扰。最近,人们将研究重点逐渐转移到多用户MIMO信道中。在多用户MIMO系统的下行链路中采用空分多址(SCDMA)可以给系统吞吐量带来可观的增益。这样的多用户MIMO系统的技术难点在于如何设计发射向量以消除用户间的共信道干扰。典型的“最佳问题”包括功率受限时的容量问题(最大化和信息速率)或用以满足每个用户特定QoS的功率控制问题(最小化发射功率)。虽然对于一般的多用户MIMO信道,这两个问题都没有闭环解决方案,但是强加某些特定的限制时可以得到闭环解决方案。最常见的包括:块对角化、逐次最优化、波束成形法以及结合空时编码来消除多用户之间的干扰。

多天线系统在多址信道中的容量分析

从理论上来说,多天线多址系统的容量域已经非常清楚,但是如何让容量域满足各种用户对传输速率的要求,仍然没有很好地解决。从结构来看,这是一个非线性优化问题,采用传统的凸优化的方法虽然可以得到解决,但是计算量会非常庞大,必须寻找简单快速的方法。在某些特殊情况下,比如,多用户和容量(所有用户的速率加权值一样)的优化问题,有文献已经提出了非常有意义的多用户注水迭代算法,这种方法充分利用了原始优化问题的结构,利用矩阵理论和凸优化理论快速迭代求解。但是这种特殊情况对于实际网络来说没有太大的意义,因为实际网络中不同用户位于网络中的不同位置,采用相同速率加权值的做法会导致网络边缘用户的传输速率得不到保证,所以应对长期传输速率比较低的用户给予较大的速率加权值以提高该用户的传输速率。而在引入优先级后,采用多用户和容量的传输准则就不适用了,必须采用加权和容量的准则,不同用户速率的加权体现了用户的优先级,优先级越高,用户速率加权值越大,反之亦然。对于这种情况下的调度策略以及用户速率分配策略,利用高斯标量多址的容量域公式以及最优化算法来解决这一问题。

对于收发端都有多根天线的高斯矢量多址信道,虽然可以采用标准的凸优化理论,但是由于这时需要优化的参数为各个用户发送天线上的输入协方差矩阵,采用标准算法会非常复杂,即使利用矩阵行列式最优化算法也会非常复杂。因此,研究最大化高斯矢量多址信道的加权和容量算法也是MIMO技术的研究热点之一。

天线在广播信道中的容量分析

由于存在天线间和用户间干扰,所以多天线广播信道属于非退化(non-degraded)的广播信道,并且其容量域一直不明确。对于可退化(degraded)的广播信道,比如单天线的广播信道,已经有了其容量域以及各个用户的速率分配方法。近年来,对于多天线广播信道容量域的研究也取得了很大进展。其中,DPC技术是解决多天线广播信道容量域问题的关键。

还有一些非DPC的干扰处理方法,比如传统的波束成形(BF)技术通过在发送端设计加权矢量,使不同用户的信号完全正交,设计加权矢量的准则有迫零法(ZF)、最小化均方误差法(MMSE)等。其他基于波束成形技术的扩展技术包括联合信道对角化、扰动的预信道均衡等。

多入多出(MIMO)技术祥解

多入多出(MIMO)或多发多收天线(MTMRA)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。

那么MIMO技术究竟是怎样的?

实际上多进多出(MIMO)技术由来已久,早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。在70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统,但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是90年代由AT&TBell实验室学者完成的。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量;1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法——对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法;1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码;1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统,在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率,这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意,并使得多入多出的研究工作得到了迅速发展。

一句话,MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)系统就是利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量,相对于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系统,MIMO还可以包括SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。

MIMO的概念

通常,多径要引起衰落,因而被视为有害因素。然而研究结果表明,对于MIMO系统来说,多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道,MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图1所示为MIMO系统的原理图。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k),I=1,……,N。这N个子流由N个天线发射出去,经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流,从而实现最佳的处理。

特别是,这N个子流同时发送到信道,各发射信号占用同一频带,因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立,则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息,数据率必然可以提高。

MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化,从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

系统容量是表征通信系统的最重要标志之一,表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N,接收天线数为M的多入多出(MIMO)系统,假定信道为独立的瑞利衰落信道,并设N、M很大,则信道容量C近似为:C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)

其中B为信号带宽,ρ为接收端平均信噪比,min(M,N)为M,N的较小者。上式表明,功率和带宽固定时,多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下,在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统,其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言,多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。

可以看出,此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集,从而降低信道误码率。

MIMO研究状况

目前,各国学者对于MIMO的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进行研究。

在MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文献,这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多入多出系统,尚有大量问题需要研究。比如说,各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的,因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作,即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有,在基本文献中,均假定接收机精确已知多径信道参数,为此,必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快,就使得训练时间太短,这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。

另外实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收,学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小,因而还有大量工作要做。目前各大公司均在研制实验系统。

Bell实验室的BLAST系统[4]是最早研制的MIMO实验系统。该系统工作频率为1.9GHz,发射8天线,接收12天线,采用D-BLAST算法。频谱利用率达到了25.9bits/(Hz·s)。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究,对于在3G、4G应用尚有相当大距离。在发送端和接收端各设置多重天线,可以提供空间分集效应,克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道,不会全部同时受到衰落。在上述具体实验系统中,每一基台各设置2副发送天线和3副接收天线,而每一用户终端各设置1副发送天线和3副接收天线,即下行通路设置2×3天线、上行通路设置1×3天线。这样与“单输入/单输出天线”SISO相比,传输上取得了10~20dB的好处,相应地加大了系统容量。而且,基台的两副发送天线于必要时可以用来传输不同的数据信号,用户传送的数据速率可以加倍。

朗讯科技的贝尔实验室分层的空时(BLAST)技术是移动通信方面领先的MIMO应用技术,是其智能天线的进一步发展。BLAST技术就其原理而言,是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”,在接收端对其进行“恢复”。利用BLAST技术,如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道,并利用先进的多用户检测技术,同时准确高效地传送用户数据,其结果是极大提高前向和反向链路容量。BLAST技术证明,在天线发送和接收端同时采用多天线阵,更能够充分利用多径传播,达到“变废为宝”的效果,提高系统容量。理论研究业已证明,采用BLAST技术,系统频谱效率可以随天线个数成线性增长,也就是说,只要允许增加天线个数,系统容量就能够得到不断提升。这也充分证明BLAST技术有着非常大的潜力。鉴于对于无线通信理论的突出贡献,BLAST技术获得了2002年度美国ThomasEdison(爱迪生)发明奖。2002年10月,世界上第一颗BLAST芯片在朗讯公司贝尔实验室问世,贝尔实验室研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了贝尔实验室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技术的芯片,这一芯片支持最高4×4的天线布局,可处理的最高数据速率达到19.2Mbps。该技术用于移动通信,BLAST芯片使终端能够在3G移动网络中接收每秒19.2兆比特的数据,现在,朗讯科技已经开始将此BLAST芯片应用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中,同时还计划授权终端制造商使用该BLAST芯片,以提高无线3G数据终端支持高速数据接入的能力。

2003年8月,AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi芯片组,并称其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技术的批量上市产品。AGN100使用该公司的多天线传输和接收技术,将现在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps,同时保持与所有常用Wi-Fi标准的兼容性。该产品集成两片芯片,包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF),采用一种可伸缩结构,使制造商可以只使用一片RF芯片实现单天线系统,或增加其他RF芯片提升性能。该芯片支持所有的802.11 a、b和g模式,包含IEEE 802.11工作组推出最新标准(包括TGi安全和TGe质量的服务功能)。Airgo的芯片组和目前的Wi-Fi标准兼容,支持802.11a, "b,"和"g"模式,使用三个5-GHz和三个2.4-GHz天线,使用Airgo芯片组的无线设备可以和以前的802.11设备通讯,甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a设备通讯的同时还可以以108Mbps的速度和Airgo的设备通讯。

凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现,多输入多输出(MIMO)技术已经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题。

4G通信中的多入多出(MIMO)技术

新一代移动通信(beyond3G/4G)将可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s,甚至更高,支持的业务从语音到多媒体业务,包括实时的流媒体业务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。新一代移动通信的另一个特点是低成本。这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量,需要频谱效率极高的技术。MIMO技术充分开发空间资源,利用多个天线实现多发多收,在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下,可以成倍地提高信道容量。OFDM技术是多载波传输的一种,其多载波之间相互正交,可以高效地利用频谱资源。

另外,OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此充分开发这两种技术的潜力,将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案,下面详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。

MIMO技术

MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)系统,该技术最早是由Marconi于1908年提出的,它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量,相对于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系统,MIMO还可以包括SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。

可以看出,此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。

利用MIMO技术可以提高信道的容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益,后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的译码性能,但是复杂度比较大,对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现,但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集,从而降低信道误码率。

OFDM技术

OFDM(正交频分复用)技术实际上是MCM(Multi-CarrierModulation,多载波调制)的一种。其主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。

结合简要介绍OFDM的工作原理,输入数据信元的速率为R,经过串并转换后,分成M个并行的子数据流,每个子数据流的速率为R/M,在每个子数据流中的若干个比特分成一组,每组的数目取决于对应子载波上的调制方式,如PSK、QAM等。M个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT变换,将频域信号转换到时域,IFFT块的输出是N个时域的样点,再将长为Lp的CP(循环前缀)加到N个样点前,形成循环扩展的OFDM信元,因此,实际发送的OFDM信元的长度为Lp+N,经过并/串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号,此信号经过串并转换后移去CP,如果CP长度大于信道的记忆长度时,ISI仅仅影响CP,而不影响有用数据,去掉CP也就去掉了ISI的影响。

OFDM技术之所以越来越受关注,是因为OFDM有很多独特的优点:

(1)频谱利用率很高,频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠,从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。

(2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强,由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上,大大降低了各子载波的符号速率,从而减弱多径传播的影响,若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法,甚至可以完全消除符号间干扰。

(3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道,每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”,亦即优质信道多传送,较差信道少传送,劣质信道不传送的原则

(4)通过各子载波的联合编码,可具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个信道联合编码,可以使系统性能得到提高。

(5)基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法,OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调,易用DSP实现。

MIMO与OFDM的结合

MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量,也就是说MIMO可以抗多径衰落,但是对于频率选择性深衰落,MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术,还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术,4G需要极高频谱利用率的技术,而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的,在OFDM的基础上合理开发空间资源,也就是MIMO+OFDM,可以提供更高的数据传输速率。另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔,所以系统不受码间干扰的困扰,这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统,依靠多天线来实现,即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应,来实现完全覆盖。下面给出MIMO+OFDM的结合方案。

这样在接收端接收到的第l个子载波频率上的N个符号可以通过V-BLAST算法进行解译码,重复进行L次以后,NL个M-QAM符号可以被恢复出来。
 

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