MIMO天線介紹的三種主要技術(shù)詳細分析

　　多入多出（MIMO）系統(tǒng)指在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線的通信系統(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到20～40 bit/s/Hz;而使用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz，在點到點的固定微波系統(tǒng)中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射頻信號多徑會引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。 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越來越多的關(guān)注，被認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)當前，MIMO技術(shù)主要利用發(fā)射分集的空時編碼、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)射分集的空時編碼基于發(fā)射分集技術(shù)的空時編碼主要有2種，即空時分組碼（STBC）和空時格碼（STTC）。雖然空時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立、不相關(guān)地傳輸信息，從而使信號在接收端獲得分集增益，為數(shù)據(jù)實現(xiàn)高階調(diào)制創(chuàng)造條件。 1.1.1 空時分組碼（STBC） STBC在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號錯誤率，它通過在發(fā)射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益，空時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)過空時編碼形成N個信息子流 ci（k），i=1，。..，N。這N個信息子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。特別是這 N個子流同時發(fā)射信號，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨立不相關(guān)，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。

　　STBC是1998年，Alamouti提出的一種非常簡單的發(fā)射分集技術(shù)，由于其簡單的結(jié)構(gòu)和良好的性能，很快進入了3GPP標準。STBC實質(zhì)上是將同一信息經(jīng)過正交編碼后從2個天線上發(fā)射出去，2路信號由于具有正交性，在接收端就能將2路獨立的信號區(qū)別出來，只需要做簡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。對于實數(shù)信號星座（PAM星座），它才可以構(gòu)造編碼速率為1的空時編碼算法。但是，對于一個普通的復(fù)數(shù)信號星座，例如MQAM（如16QAM）或MPSK（如8PSK），當發(fā)射天線陣子數(shù)目大于2時，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)信號星座，那么最大的空時編碼速率只能達到3/4和1/2?？梢?，對于采用高階調(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，尋找更好的空時分組碼目前已成為一個研究方向;另外，如何在頻率選擇性信道、時間選擇性信道中充分利用空時分組碼的優(yōu)勢也是一個研究課題?？傊?，當前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 空時格碼（STTC） STTC是從空時延遲分集發(fā)展來的，而空時延遲分集可以看作是空時格碼的一個特例?？諘r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格碼利用某種網(wǎng)格圖，將同一信息通過多個天線發(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，然后通過一個串/并轉(zhuǎn)換器，分成2個完全相同的數(shù)據(jù)流。其中一數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制后直接從一個天線發(fā)送出去;另一數(shù)據(jù)流經(jīng)過一個符號的延時后，再經(jīng)調(diào)制從另一個天線發(fā)送出去。由于數(shù)據(jù)在2個天線上同時發(fā)送，不同的只是一路數(shù)據(jù)被延時了一個符號，所以盡管采用了延時編碼，卻不會存在頻帶效率的損失。在接收端，通過Viterbi譯碼可以進行解調(diào)。這種延時的分集就是空時碼的雛形?？梢宰C明當前所講的STTC可以由延時發(fā)送分集實現(xiàn)。