【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線技術(shù)可以比較充分地利用空域資源，而結(jié)合兩者的MIMO技術(shù)對(duì)空域資源的利用達(dá)到了前所未有的高度。與傳統(tǒng)智能天線的波束形成構(gòu)建空間向量信道相比，MIMO系統(tǒng)構(gòu)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(jīng)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(duì)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?qū)ζ浼右匝a(bǔ)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?yàn)檫_(dá)波信號(hào)數(shù)目遠(yuǎn)大于天線陣元數(shù)目。MIMO天線對(duì)系統(tǒng)性能的改善遠(yuǎn)大于常規(guī)智能天線。MIMO天線的重要特點(diǎn)在于它能夠?qū)⒊Ｒ?guī)視為不利因素的多徑傳播轉(zhuǎn)化為提高數(shù)據(jù)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(hào)間的低相關(guān)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(huì)下降。另外，MIMO系統(tǒng)需要更復(fù)雜的硬件設(shè)備與信號(hào)處理技術(shù)才能得到預(yù)期的空間帶寬，與常規(guī)采用更大帶寬提高數(shù)據(jù)率的通信系統(tǒng)相比，其網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)終端的軟件與硬件復(fù)雜度都提高了。2．2．4 MIM0系統(tǒng)中的分集和復(fù)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(fù)雜度的算法與編碼下的理論容量上界，并沒有給出實(shí)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(fù)雜度折衷的傳輸方案以獲取MIMO系統(tǒng)的實(shí)際增益。由于MIMO系統(tǒng)中的多天線能夠同時(shí)提供分集增益與復(fù)用增益，故現(xiàn)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(shí)編碼方案(STC)120,21捌，因?yàn)镸IMO系統(tǒng)的多天線可實(shí)現(xiàn)天線分集。天線分集可以對(duì)抗信道衰落，提高無線鏈路的可靠性，并且聯(lián)合應(yīng)用多維天線分集與時(shí)間分集，可以獲得更好的分集效果。MIMO系統(tǒng)結(jié)合天線分集與時(shí)間分集，還可同時(shí)獲得空間與時(shí)間維的分集效益，即通過空時(shí)編碼而增加傳輸?shù)目諘r(shí)冗余信息，從而提高無線傳輸?shù)姆€(wěn)健性。Tarokh等首次提出空時(shí)編碼的概念阱，它集發(fā)射分集、編碼與調(diào)制于一體。在延時(shí)發(fā)射分集的基礎(chǔ)上，Tarokh提出了空時(shí)格形碼(STTC)，它具有卷積碼的特征，并將格形編碼、調(diào)制與發(fā)射分集結(jié)合在一起，在不增加帶寬的情況下，可以同時(shí)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(qiáng)，但其復(fù)雜度隨發(fā)射天線數(shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)?？諘r(shí)編碼的盛行實(shí)際是從空時(shí)分組碼 (STBC)的發(fā)現(xiàn)開始的，因?yàn)镾TBC的構(gòu)造比較容易，其發(fā)射信號(hào)兩兩正交，收端可采用線性最大似然檢測(cè)，其譯碼算法簡(jiǎn)單。第二類為數(shù)據(jù)率最大化方案，即復(fù)用方案，因?yàn)镸IMO系統(tǒng)的多天線也可實(shí)現(xiàn)空間復(fù)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(duì)收發(fā)天線路徑的衰落獨(dú)立，則空間矩陣信道創(chuàng)建了多個(gè)并行的空間傳輸通道，利用并行通道傳輸獨(dú)立的信息流，從而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率。著名的BLAST結(jié)構(gòu)，就是將待發(fā)射的信息流分解為多路并行子流，對(duì)各路獨(dú)立地進(jìn)行編碼、調(diào)制與映射到其對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線上，在收端采用迫零或迫零結(jié)合干擾消除等技術(shù)將多路子數(shù)據(jù)流分離。其實(shí)質(zhì)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(dá)到空間復(fù)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(shí)結(jié)構(gòu)沒有進(jìn)行發(fā)射分集，但在傳輸速率與處理復(fù)雜度方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，純粹的天線分集與純粹的復(fù)用方案并非最優(yōu)方案，因?yàn)镸IMO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(gè)方面，比如，獲取更高的分集增益是以犧牲更大的復(fù)用增益為代價(jià)的，反之亦然。由于二者的折衷方案可以同時(shí)獲得分集與復(fù)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(shí)聯(lián)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(shí)處理性能的關(guān)鍵因素在于無線傳播信道的空時(shí)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(duì)發(fā)一收天線單元間的多徑衰落才趨于獨(dú)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(dú)立，信道矩陣也非滿秩，MIMO信道的空間優(yōu)勢(shì)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(shí)處理算法，比如空時(shí)編解碼、空時(shí)均衡與MIMO收發(fā)信機(jī)算法，另一方面，需開發(fā)MIMO無線信道模型以模擬各種實(shí)際信道條件、評(píng)估各種空時(shí)處理算法的相對(duì)性能、仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yīng)用中，因?yàn)镸IMO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(kuò)展、收發(fā)天線方位、達(dá)波角與去波角等。自從1998年Ertel等發(fā)表對(duì)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(diǎn)，己有大量文獻(xiàn)對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，為評(píng)估與開發(fā)空時(shí)處理算法、仿真與設(shè)計(jì)高性能的通信系統(tǒng)提供了極大的幫助，促進(jìn)了MIMO通信技術(shù)的發(fā)展。2．2．6 MIMO系統(tǒng)中的多天線設(shè)計(jì)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(hào)在無線信道中經(jīng)散射傳播而混合在一起,經(jīng)接收端多天線接收后，系統(tǒng)通過空時(shí)處理算法分離并恢復(fù)出發(fā)射數(shù)據(jù)，其性能取決于各天線單元接收信號(hào)的獨(dú)立程度，即相關(guān)性，而多天線間的相關(guān)性與散射傳播及天線特性密切相關(guān)。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(shè)計(jì)。對(duì)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(yīng)該盡可能接收各方向的散射達(dá)波，因此也不同于常規(guī)分集天線。天線單元數(shù)目、天線單元間距與天線放置位置等都是至關(guān)重要的因素。比如，對(duì)于基站天線，它對(duì)天線數(shù)目的限制較小，但由于放置位置較高且散射擴(kuò)展較小，從而天線單元的間距要求較大；對(duì)于便攜終端天線，其對(duì)天線數(shù)目與位置要求都較嚴(yán)；對(duì)于手機(jī)天線，它對(duì)天線數(shù)目與間距要求尤為嚴(yán)格。實(shí)驗(yàn)表明，由于散射傳播環(huán)境不同，提供空間低相關(guān)的衰落信號(hào)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(gè)波長(zhǎng)的間隔才能獲得天線解相關(guān)，而豐富散射的室內(nèi)環(huán)境可能只需半個(gè)波長(zhǎng)間距就足夠了。對(duì)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(shè)計(jì)是與傳播環(huán)境和天線的放置位置緊密相關(guān)的。2．3 MIMO技術(shù)的實(shí)質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)綜上所述，MIMO技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是空間分集和空間復(fù)用，是利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間分集和時(shí)間分集的技術(shù)，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(diǎn)具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：空間分集增益：無線信號(hào)在傳輸時(shí)，由于移動(dòng)和多徑信號(hào)的功率隨機(jī)變化，這就是衰落效應(yīng)。分集是對(duì)抗衰落的強(qiáng)有力手段，它主要依靠相同信號(hào)通過多個(gè)獨(dú)立衰落路徑的傳輸，很顯然，多個(gè)路徑同時(shí)衰落概率非常低。同時(shí)間和頻率分集相比，MIMO空間分集最大的好處是不會(huì)有時(shí)間和頻率資源的支出。不考慮復(fù)用，有NIVI路獨(dú)立通道，接收機(jī)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(hào)的BER(誤碼率)性能會(huì)有顯著提高?？臻g復(fù)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)N路并行的數(shù)據(jù)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(fù)雜性，發(fā)射出去的信號(hào)在空間要經(jīng)過若干次反射、折射、散射和衍射(繞射)，以及受陰影效應(yīng)、多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)的影響，從而產(chǎn)生各種衰落和擴(kuò)展，加上一些未知的干擾，嚴(yán)重地妨礙信號(hào)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(dāng)發(fā)射端和接收端之間不存在直接傳播路徑(NLOS)時(shí)，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(shí)，則要采用萊斯分布模型來描述信道的特性。國(guó)際上也有統(tǒng)一的信道模型標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)雜的多，自Telatar和Foschnini發(fā)表有關(guān)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(duì)此信道特性的探索，包括實(shí)際測(cè)量和理論建模，到目前還遠(yuǎn)未停止。這關(guān)系到MIMO系統(tǒng)理論上的巨大容量實(shí)際中的具體實(shí)現(xiàn)問題，能否實(shí)現(xiàn)以及如何實(shí)現(xiàn)，為此建立了許許多多的空時(shí)信道模型。歸納起來，大致可分為兩大類型，即確定性的空時(shí)信道模型和隨機(jī)型的空時(shí)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(jī)型模型中，以相關(guān)模型和基于空間或幾何結(jié)構(gòu)的模型居多，其次還有帶參數(shù)的模型和散射模型等。本章對(duì)無線MIMO信道模型進(jìn)行研究的目的是想盡可能地再現(xiàn)真實(shí)的通信環(huán)境，使無線電波在空間傳播時(shí)所受到的影響能得到充分的反映。為此對(duì)目前己經(jīng)發(fā)表文獻(xiàn)中提出的一些空時(shí)信道模型理論進(jìn)行了詳細(xì)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?yàn)樗耸瞻l(fā)兩端天線陣列的有關(guān)信息。為了把天線和自由空間對(duì)傳輸信號(hào)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(yīng)用來h(t,τ,φR,φT)表示，其中τ代表時(shí)延，φR和φT分別表示接收端的到達(dá)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(yīng)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(yīng)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?yàn)閺睦碚撋险f，如果考慮信道的一般特性，信道的表示應(yīng)該與使用天線的類型無關(guān)，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(duì)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?yàn)檫@種描述便于精確地估計(jì)無線MIMO系統(tǒng)的實(shí)際容量。上述三種信道的脈沖響應(yīng)：h(t,τ)，h(t,τ,φ)或h(t,τ,φT)，h(t,τ,φR,φT)之間的關(guān)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(fù)數(shù)增益。在無線傳輸?shù)囊粋€(gè)鏈路中，雙向信道模型可以簡(jiǎn)單地分成下列三個(gè)功能模塊： (1)發(fā)射天線模塊它把信號(hào)的能量按所要求的離開角(DOD)進(jìn)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(shù)中選擇。(2)雙向信道包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(shí)為τ。，復(fù)數(shù)加權(quán)因子為Hi。發(fā)射端的每一個(gè)DOD與接收端每一個(gè)DOA相對(duì)應(yīng)，信道的脈沖響應(yīng)可表示為： (33)一般來說，上式中的多徑參數(shù)τi,φRi,φTi，Hi都和絕對(duì)時(shí)間有關(guān)，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(shù)測(cè)量方案的靜態(tài)特性，一般假定這些參數(shù)不隨時(shí)間變化。(3)接收天線模塊它的作用是從DOA中通過系數(shù)加權(quán)組合，采集所需要的信號(hào)分量。對(duì)于任意的天線星座，MIMO信道的響應(yīng)可以通過下式來計(jì)算： (34)式中N為多徑分量的總數(shù)，所選天線單元的位置矢量，矢量的參考點(diǎn)可以任意選擇，但要求選擇在對(duì)應(yīng)的陣列上，而 (3—5)式中ε代表仰角，從水平面上開始測(cè)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(yù)定的方向上發(fā)送有限數(shù)量的射線，并跟蹤他們，直到落在接收機(jī)的附近。然而使用這種方法很難找到所有可能精確到達(dá)接收端的多徑分量，因?yàn)榈竭_(dá)接收機(jī)的潛在分量也許有無數(shù)多個(gè)。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(jī)和接收機(jī)對(duì)稱地分布在兩個(gè)平行的反射面之內(nèi)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的之間距離為d，兩個(gè)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(jì)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(shù)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(biāo)號(hào)索引，可能為無窮大，φRp表示接收端相對(duì)于天線陣列的法線方向的到達(dá)角，φTp表示發(fā)射端的離開角，rp表示路徑的傳播系數(shù)(一般為復(fù)數(shù))，l表示天線陣列單元之間的間隔，λ為波長(zhǎng)。Hi,k必須滿足歸一化條件： (37)3．2隨機(jī)MIMO信道模型本節(jié)介紹的是隨機(jī)MIMO信道中存在的各種衰落以及隨機(jī)MIMO信道模型。3．2．1信道衰落和擴(kuò)展發(fā)射出去的信號(hào)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(kuò)展。衰落是指無線信號(hào)所經(jīng)受的傳播損耗，表現(xiàn)為接收信號(hào)的電平在時(shí)間、空間或頻率的某個(gè)區(qū)域內(nèi)圍繞平均值起伏變化。而信道擴(kuò)展是指攜帶信息的信號(hào)能量在時(shí)間、空間或頻率軸上的擴(kuò)散。1)慢衰落慢衰落也稱為準(zhǔn)靜態(tài)衰落，是由建筑物的長(zhǎng)時(shí)間的陰影效應(yīng)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(hào)的局部平均值，這個(gè)平均值的統(tǒng)計(jì)分布經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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(yù)測(cè)。但是通過觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)上述參數(shù)固定時(shí)，接收信號(hào)的起伏變化接近對(duì)數(shù)正態(tài)分布。在仿真信道的慢衰落