【文章內容簡介】 線技術可以比較充分地利用空域資源，而結合兩者的MIMO技術對空域資源的利用達到了前所未有的高度。與傳統(tǒng)智能天線的波束形成構建空間向量信道相比，MIMO系統(tǒng)構建了并行空間矩陣信道，更充分地利用了空間資源。并且空域已經被拓展到空間與極化域，不只是基本的空間域(即方向特征)。MIMO系統(tǒng)通過離散的天線單元對空域采樣，其空間方向特征很可能不完全正交，但可利用極化域對其加以補償。再次，在豐富散射的環(huán)境中，智能天線的效果并非最佳，因為達波信號數目遠大于天線陣元數目。MIMO天線對系統(tǒng)性能的改善遠大于常規(guī)智能天線。MIMO天線的重要特點在于它能夠將常規(guī)視為不利因素的多徑傳播轉化為提高數據率的途徑。與智能天線相比，MIMO系統(tǒng)的天線單元盡可能在空間上分開，以獲得不同接收天線信號間的低相關性。因此，MIMO天線只有在豐富散射的環(huán)境中才能最有效地工作，在直視傳播環(huán)境下，其性能就會下降。另外，MIMO系統(tǒng)需要更復雜的硬件設備與信號處理技術才能得到預期的空間帶寬，與常規(guī)采用更大帶寬提高數據率的通信系統(tǒng)相比，其網絡與移動終端的軟件與硬件復雜度都提高了。2．2．4 MIM0系統(tǒng)中的分集和復用前面我們從信息論的角度分析了MIMO系統(tǒng)的容量，但是僅僅給出了多天線無線系統(tǒng)在無限復雜度的算法與編碼下的理論容量上界，并沒有給出實際傳輸系統(tǒng)可獲得的性能。因此，尤為重要的是，開發(fā)誤碼性能與復雜度折衷的傳輸方案以獲取MIMO系統(tǒng)的實際增益。由于MIMO系統(tǒng)中的多天線能夠同時提供分集增益與復用增益，故現有的傳輸方案可分為兩大類：第一類是分集最大化方案，即空時編碼方案(STC)120,21捌，因為MIMO系統(tǒng)的多天線可實現天線分集。天線分集可以對抗信道衰落，提高無線鏈路的可靠性，并且聯合應用多維天線分集與時間分集，可以獲得更好的分集效果。MIMO系統(tǒng)結合天線分集與時間分集，還可同時獲得空間與時間維的分集效益，即通過空時編碼而增加傳輸的空時冗余信息，從而提高無線傳輸的穩(wěn)健性。Tarokh等首次提出空時編碼的概念阱，它集發(fā)射分集、編碼與調制于一體。在延時發(fā)射分集的基礎上，Tarokh提出了空時格形碼(STTC)，它具有卷積碼的特征，并將格形編碼、調制與發(fā)射分集結合在一起，在不增加帶寬的情況下，可以同時獲得滿分集與高編碼增益。它利用某種格形圖，將同一信息從多副天線發(fā)射出去，在接收端采用基于歐式距離的Viterbi譯碼，其性能較好，抗衰落能力強，但其復雜度隨發(fā)射天線數目呈指數增長?？諘r編碼的盛行實際是從空時分組碼 (STBC)的發(fā)現開始的，因為STBC的構造比較容易，其發(fā)射信號兩兩正交，收端可采用線性最大似然檢測，其譯碼算法簡單。第二類為數據率最大化方案，即復用方案，因為MIMO系統(tǒng)的多天線也可實現空間復用。無線信道的多徑傳播增加了MIMO系統(tǒng)可用的自由度，若各對收發(fā)天線路徑的衰落獨立，則空間矩陣信道創(chuàng)建了多個并行的空間傳輸通道，利用并行通道傳輸獨立的信息流，從而提高系統(tǒng)的數據率。著名的BLAST結構，就是將待發(fā)射的信息流分解為多路并行子流，對各路獨立地進行編碼、調制與映射到其對應的發(fā)射天線上，在收端采用迫零或迫零結合干擾消除等技術將多路子數據流分離。其實質是將單路高信噪比信道分解為多路相互重疊的低信噪比信道并行傳輸，達到空間復用的目的，從而提高頻譜利用率。由于各天線發(fā)射不同的信息流，分層空時結構沒有進行發(fā)射分集，但在傳輸速率與處理復雜度方面具有較明顯的優(yōu)勢。然而，純粹的天線分集與純粹的復用方案并非最優(yōu)方案，因為MIMO系統(tǒng)本身的自由度在給定天線配置下是有限的，二者之一都只解決了問題的一個方面，比如，獲取更高的分集增益是以犧牲更大的復用增益為代價的，反之亦然。由于二者的折衷方案可以同時獲得分集與復用增益，可能是最好的選擇，即傳輸誤碼率與速率的折衷方案。2．2．5 MIMO無線信道建模MIMO系統(tǒng)利用無線信道的多徑傳播，開發(fā)空間資源，建立空間并行矩陣傳輸通道，利用空時聯合處理提高無線通信系統(tǒng)的容量與可靠性然而，決定空時處理性能的關鍵因素在于無線傳播信道的空時特性。研究表明只有在無線信道散射傳播的多徑分量足夠豐富，各對發(fā)一收天線單元間的多徑衰落才趨于獨立，從而信道矩陣才趨于滿秩：如果散射不夠豐富或天線單元間距較小等，多徑衰落將不完全獨立，信道矩陣也非滿秩，MIMO信道的空間優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮，MIMO系統(tǒng)傳輸方案的性能將下降，即信道傳播條件決定了MIMO系統(tǒng)的信道容量。一方面，需開發(fā)更加穩(wěn)健的空時處理算法，比如空時編解碼、空時均衡與MIMO收發(fā)信機算法，另一方面，需開發(fā)MIMO無線信道模型以模擬各種實際信道條件、評估各種空時處理算法的相對性能、仿真與優(yōu)化設計高性能的通信系統(tǒng)。先前的研究工作主要在于開發(fā)SISO無線信道模型。然而，并不能直接將這些模型拓展到MIMO應用中，因為MIMO信道模型必須將空域信息直接或間接刻畫出來，比如，散射分布、角度擴展、收發(fā)天線方位、達波角與去波角等。自從1998年Ertel等發(fā)表對空間信道模型的綜述文章以來，MIMO無線信道建模一直就是研究的熱點，己有大量文獻對該領域進行了深入研究，為評估與開發(fā)空時處理算法、仿真與設計高性能的通信系統(tǒng)提供了極大的幫助，促進了MIMO通信技術的發(fā)展。2．2．6 MIMO系統(tǒng)中的多天線設計發(fā)射與接收多天線系統(tǒng)是MIMO無線系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響MIMO信道的性能。多天線發(fā)出的信號在無線信道中經散射傳播而混合在一起,經接收端多天線接收后，系統(tǒng)通過空時處理算法分離并恢復出發(fā)射數據，其性能取決于各天線單元接收信號的獨立程度，即相關性，而多天線間的相關性與散射傳播及天線特性密切相關。因此，MIMO無線系統(tǒng)的高性能除了依賴于多徑傳播的豐富程度外，還依賴于多天線的合理設計。對于MIMO無線系統(tǒng)的多天線，一方面，其天線單元間距較大，必須具有分集功能，不同于常規(guī)智能天線；另一方面，各天線單元應該盡可能接收各方向的散射達波，因此也不同于常規(guī)分集天線。天線單元數目、天線單元間距與天線放置位置等都是至關重要的因素。比如，對于基站天線，它對天線數目的限制較小，但由于放置位置較高且散射擴展較小，從而天線單元的間距要求較大；對于便攜終端天線，其對天線數目與位置要求都較嚴；對于手機天線，它對天線數目與間距要求尤為嚴格。實驗表明，由于散射傳播環(huán)境不同，提供空間低相關的衰落信號所需要的天線單元間距也不一樣。比如，宏小區(qū)環(huán)境可能需要若干個波長的間隔才能獲得天線解相關，而豐富散射的室內環(huán)境可能只需半個波長間距就足夠了。對于極化域而言，交叉極化藕合度決定了能否提供極化分集，或能否提供近似正交的并行信道。因此MIMO多天線的設計是與傳播環(huán)境和天線的放置位置緊密相關的。2．3 MIMO技術的實質和優(yōu)點綜上所述，MIMO技術的實質就是空間分集和空間復用，是利用多發(fā)射、多接收天線進行空間分集和時間分集的技術，它采用的是分立式多天線，能夠有效的將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高容量。其優(yōu)點具體表現在以下兩個方面：空間分集增益：無線信號在傳輸時，由于移動和多徑信號的功率隨機變化，這就是衰落效應。分集是對抗衰落的強有力手段，它主要依靠相同信號通過多個獨立衰落路徑的傳輸，很顯然，多個路徑同時衰落概率非常低。同時間和頻率分集相比，MIMO空間分集最大的好處是不會有時間和頻率資源的支出。不考慮復用，有NIVI路獨立通道，接收機如果統(tǒng)一合并這NM條通道，同SISO相比，能夠獲得NM階分集效果，接收信號的BER(誤碼率)性能會有顯著提高?？臻g復用增益：MIMO能夠在不增加發(fā)射功率或者頻帶資源的情況，實現信道容量隨min(M，N)線性增加。該增益就是空間增益，主要通過不同天線傳輸不同信息，實現N路并行的數據傳輸。第三章無線MIMO信道模型在無線通信中，由于傳播信道的復雜性，發(fā)射出去的信號在空間要經過若干次反射、折射、散射和衍射(繞射)，以及受陰影效應、多徑效應和多普勒效應的影響，從而產生各種衰落和擴展，加上一些未知的干擾，嚴重地妨礙信號的正確接收。在傳統(tǒng)的單天線發(fā)送和單天線接收(即單輸入單輸出SISo)的無線通信中，常用瑞利分布和萊斯分布作為近似信道特征的模型，當發(fā)射端和接收端之間不存在直接傳播路徑(NLOS)時，瑞利衰落能夠很好地描述信道的特性。而如果發(fā)射端和接收端之間存在直接傳播路徑(LOS)時，則要采用萊斯分布模型來描述信道的特性。國際上也有統(tǒng)一的信道模型標準。而在多天線發(fā)射和多天線接收 (即多輸入多輸出MIMO)的通信系統(tǒng)中，描述信道的特性的模型要復雜的多，自Telatar和Foschnini發(fā)表有關MIMO系統(tǒng)的信道容量的文章以來，廣大研究人員就開始了對此信道特性的探索，包括實際測量和理論建模，到目前還遠未停止。這關系到MIMO系統(tǒng)理論上的巨大容量實際中的具體實現問題，能否實現以及如何實現，為此建立了許許多多的空時信道模型。歸納起來，大致可分為兩大類型，即確定性的空時信道模型和隨機型的空時信道模型。在確定性的模型中，兩種有代表性的模型是雙向信道模型和射線跟蹤模型，而在隨機型模型中，以相關模型和基于空間或幾何結構的模型居多，其次還有帶參數的模型和散射模型等。本章對無線MIMO信道模型進行研究的目的是想盡可能地再現真實的通信環(huán)境，使無線電波在空間傳播時所受到的影響能得到充分的反映。為此對目前己經發(fā)表文獻中提出的一些空時信道模型理論進行了詳細的研究。3．1典型的確定性的MIMO信道模型由上節(jié)可知，在確定性的模型中，兩種有代表性的模型是雙向信道模型和射線跟蹤模型，下面來介紹這兩種模型。3．1．1雙向傳播的信道模型之所以稱雙向傳播信道模型是因為它包含了收發(fā)兩端天線陣列的有關信息。為了把天線和自由空間對傳輸信號的作用分開，在這里把信道分為一般的無線信道和自由空間傳播信道，如圖3．1所示。后者用雙向信道來描述，此信道中不含發(fā)射天線和接收天線，且信道的脈沖響應用來h(t,τ,φR,φT)表示，其中τ代表時延，φR和φT分別表示接收端的到達角和發(fā)射端的離開角。而前者用全向信道來描述，此信道包括收發(fā)兩端的天線，信道的脈沖響應為h(t,τ)。介于兩者之間的信道稱為單向信道，即一端包括天線，則另一端不包括天線，包括天線的一端假定使用全向天線，另外一端則使用方向性的天線，單向信道的脈沖響應用h(t，τ, φR)或h(t，τ, φT)來表示。這樣劃分信道的理由主要是便于研究信道的一般特性，因為從理論上說，如果考慮信道的一般特性，信道的表示應該與使用天線的類型無關，因此，無論是發(fā)射天線還是接收天線，必須從信道中分離出來研究。對于發(fā)射端和接收端配有多根天線的系統(tǒng)來說，雙向信道的描述十分有用，因為這種描述便于精確地估計無線MIMO系統(tǒng)的實際容量。上述三種信道的脈沖響應：h(t,τ)，h(t,τ,φ)或h(t,τ,φT)，h(t,τ,φR,φT)之間的關系為：h(t,τ,φR)= (31)h(t,τ,)= (32)上式中，分別表示發(fā)射天線和接收天線的復數增益。在無線傳輸的一個鏈路中，雙向信道模型可以簡單地分成下列三個功能模塊： (1)發(fā)射天線模塊它把信號的能量按所要求的離開角(DOD)進行分配，有效的DOD是從雙向信道在特定的傳播條件下提供的輸入方向參數中選擇。(2)雙向信道包括發(fā)射機和接收機天線末端之間所有N條可分辨的傳播路徑，每條路徑的延時為τ。，復數加權因子為Hi。發(fā)射端的每一個DOD與接收端每一個DOA相對應，信道的脈沖響應可表示為： (33)一般來說，上式中的多徑參數τi,φRi,φTi，Hi都和絕對時間有關，這樣傳播過程中的一組多徑分量也將發(fā)生變化，由N變成N(t)，然而考慮大多數測量方案的靜態(tài)特性，一般假定這些參數不隨時間變化。(3)接收天線模塊它的作用是從DOA中通過系數加權組合，采集所需要的信號分量。對于任意的天線星座，MIMO信道的響應可以通過下式來計算： (34)式中N為多徑分量的總數，所選天線單元的位置矢量，矢量的參考點可以任意選擇，但要求選擇在對應的陣列上，而 (3—5)式中ε代表仰角，從水平面上開始測量，考慮公式的完整性，上式是以方位角和仰角的形式給出。3．1．2二維射線跟蹤模型(1)發(fā)送射線分析法在發(fā)射端和在預定的方向上發(fā)送有限數量的射線，并跟蹤他們，直到落在接收機的附近。然而使用這種方法很難找到所有可能精確到達接收端的多徑分量，因為到達接收機的潛在分量也許有無數多個。利用這種分析方法得到的無線MIMO模型如上圖所示，假定發(fā)射機和接收機對稱地分布在兩個平行的反射面之內，發(fā)射機和接收機的之間距離為d，兩個平行的反射面之間的距離為w。圖3．2發(fā)送射線分析法(2)信道矩陣H的計算假定發(fā)射端配有M根天線，接收端配有N根天線，信道矩陣H的維數是MN或NxM，其中的元素由下式確定：上式中P代表多徑分量的標號索引，可能為無窮大，φRp表示接收端相對于天線陣列的法線方向的到達角，φTp表示發(fā)射端的離開角，rp表示路徑的傳播系數(一般為復數)，l表示天線陣列單元之間的間隔，λ為波長。Hi,k必須滿足歸一化條件： (37)3．2隨機MIMO信道模型本節(jié)介紹的是隨機MIMO信道中存在的各種衰落以及隨機MIMO信道模型。3．2．1信道衰落和擴展發(fā)射出去的信號在空間傳播過程中所遭受的損害，大致可分為兩大類：即衰落和擴展。衰落是指無線信號所經受的傳播損耗，表現為接收信號的電平在時間、空間或頻率的某個區(qū)域內圍繞平均值起伏變化。而信道擴展是指攜帶信息的信號能量在時間、空間或頻率軸上的擴散。1)慢衰落慢衰落也稱為準靜態(tài)衰落，是由建筑物的長時間的陰影效應或山區(qū)的自然特征所引起，它也可以看成是快速衰落信號的局部平均值，這個平均值的統(tǒng)計分布經過實驗研究，證明它要受到天線的高度、工作頻率和周圍環(huán)境的影響，一般很難預測。但是通過觀察發(fā)現當上述參數固定時，接收信號的起伏變化接近對數正態(tài)分布。在仿真信道的慢衰落