多入多出智能天线技术.doc

1前言
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。多入多出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。普遍认为，多入多出将是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。早在70年代就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[1]给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia[2]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[3]等讨论了用于多入多出的空时码；1998年Wolniansky等人[4]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。
2多入多出概念
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。

图1多入多出系统原理
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，从而可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[1]
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。
3空时码
MIMO通过多天线发射多数据流并由多天线接收实现最佳处理，可实现很高的容量。这种最佳处理是通过空时编码和解码实现的。文献[2—5]已经提出了不少MIMO空时码，其中包括空时网格码[3]、空时分组码[5]、空时分层码[2，4]。限于篇幅，本文只简单介绍空时分组码的概念。
为了实现分集，接收机首先应将各独立信道分开，然后再实现最优结合。同样地，为了实现MIMO处理，各接收机也必须先将收到的各发射机发来的子流分开再进行处理。对2×2天线(2天线发射机和2天线接收机)情况，Alamouti[5]采用了一种特殊的发射编码方法使接收机能实现这种分开。

图22x2空时分组码
图2示出了一个采用空时分组码2天线发射机和2天线接收机的框图。输入信息首先分成两个符号一组[c1、c2]。在两个符号周期内，两天线同时发射两个符号。第1周期，天线1发c1，天线2发c2；在第2周期，天线1发-c*2，天线2发c*1。设由发射天线j到接收天线i的信道响应为hij(i=1,2，j=1,2)，且设两个相邻符号周期内hij是恒定的。对于接收天线1，相邻两周期的接收信号分别为：
r11=h11c1+h12c2+η11r12=-h11c*2+h12c*1+η12
其中，η11，η21为均值为零、方差为N0的相互独立复高斯变量。令
r1=[r11,(r12)*]，c=[c1,c2]，η=[η11,η12]
则上式可表为：
r1=H1c+η1
其中：
并且H1*H1=ρ1I，H1*为H1的共轭转置矩阵，ρ1=|h11|2+|h12|2。若对接收矢量r1用H1*进行线性变换，设变换后矢量为r1则有：
r1=H1*r1=ρc+η
上式归结为两个纯量方程：
r11=ρc1+η11r12=ρc2+η12
即采用H1*就可将子流c1，c2分开，从而分别实现最优处理。
同时考虑两个接收天线时，相应信号区分处理为：
其中H2*，r2与H1，r1同样定义。上式表明采