《MIMO技术百科要点.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《MIMO技术百科要点.pdf(12页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、MIMO MIMO 属于空间分集 简介 MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统是一项运用于802.11n 的核 心技术。 802.11n 是 IEEE继 802.11bag后全新的无线局域网技术,速度可达 600Mbps 。同时,专有 MIMO 技术可改进已有 802.11a/b/g网络的性能。 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-Input Single-Output)系统, MIMO 还 可以包括 SIMO(Single-Input Mult
2、i-ple-Output)系统和 MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。 概述 MIMO 表示多输入多输出。 读/maimo/ 或/mimo/ ,通常美国人读前者, 英国人 读后者,国际上研究这一领域的专家较多的都读/maimo/。在第四代移动通信技 术标准中被广泛采用,例如IEEE 802.16e (Wimax) ,长期演进 (LTE)。在新一代 无线局域网 (WLAN) 标准中,通常用于 IEEE 802.11n,但也可以用于其他 802.11 技术。 MIMO 有时被称作空间分集,因为它使用多空间通道传送和接收数据。只 有站点(移动设备)或接入点(AP
3、 )支持 MIMO 时才能部署 MIMO 。 优点 MIMO 技术的应用,使空间成为一种可以用于提高性能的资源,并能够增加 无线系统的覆盖范围。 无线电发送的信号被反射时,会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。 使用单输入单输出( SISO )的系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO 允许 多个天线同时发送和接收多个空间流,并能够区分发往或来自不同空间方位的信 号。多天线系统的应用,使得多达 min(Nt,Nr)的并行数据流可以同时传送。同 时,在发送端或接收端采用多天线,可以显著克服信道的衰落,降低误码率。一 般的,分集增益可以高达Nt*Nr 。 老接入点到老客户端 - 只发送和接收一
4、个空间流 MIMO MIMO 接入点到 MIMO 客户端 - 同时发送和接收多个空间流 MIMO 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 (zero-forcing,迫零)算法、 MMSE(minimum mean s
5、quare error,最小均方 差)算法、 ML (maximum likelihood,最大似然)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。 潜力 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 M
6、IMO 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。 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
7、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(/2) 其中 B为信号带宽, 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
8、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。 理论容量与天线数关系: 图 4-4 (1)图 4-4 所示的四条信道容量曲线的发射天线数量都为 4,以接收天线 数量 为横轴,信噪比依次为0dB、5dB、10dB、15dB。从这四条不同的曲线我们 可以得出结论: 1发射天线数量一定,信噪比不变时信道容量随着接收天线数的增多而增 大,且增大的幅度越来越小。 2发射天线和接收天线的数量均相同,信道容量随信噪比的增大而增大。 (2)图 4-5 所示的四条信道容量曲
9、线的接收天线数量都为 4,以发射天线 数量 为横轴,信噪比分别为0dB、5dB、10dB、15dB。从这四条不同的曲线我们 可以得出结论: 1接收天线数量一定,信噪比不变时信道容量随着发射天线数的增多而增 大,增大的幅度会越来越小。 2当发射天线数大于接收天线数时,信道容量增大的幅度会大幅度减缓, 当 10 以后,信道容量基本上就没有多大变化。 由上述结论我们可以看到信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是 说可以在不增加带宽和天线发送功率的情况下利用MIMO 信道成倍地提高无线信 道容量,证明了 MIMO 信道系统理论的正确性 2 发展历史 MIMO 1990年代,全世界无线通信领域均针
10、对多天线系统进行研究,希望创作出 能指向接收者之波束成型技术, 亦即是所谓智慧型天线 一种能使波束聪明 地追踪接收者(即移动电话)的技术,如同有个人持着天线到处移动,就像一道 自手电筒射出的光束可追踪一位在黑暗中移动的人一样。智慧型天线借由波束对 其指向(亦即对目标接收者)的相长干涉(constructive interference)及同 时间该波束对目标接收者指向以外其他方向之相消干涉(destructive interference)来增加信号增益, 以实现上述智慧型天线的优点,并对于此发送 单位上的多天线间, 采用一较窄的天线间距来实现此波束。一般以发送信号之一 半波长作为实体的天线间
11、距, 以满足空间上的采样定理且避免旁瓣辐射(grating lobes ),亦即空间上的混叠。 波束成型技术的缺点乃是在都市的环境中,信号容易朝向建筑物或移动的车 辆等目标分散,因而模糊其波束的集中特性(即相长干涉),丧失多数的信号增 益及减少干扰的特性。然而此项缺点却随着空间分集及空间多工的技术在 1990 年代末的发展,而突然转变为优势。 这些方法利用多径(multipath propagation ) 现象来增加数据吞吐量、 传送距离, 或减少比特错误率。 这些型态的系统在选择 实体的天线间距时,通常以大于被发送信号的波长的距离为实作,以确保 MIMO 频道间的低关联性及高分集阶数(di
12、versity order)。 复合技术 MIMO 此科技与平坦衰落信道(flat fading channels)兼用时最佳,以降 低接收端信道均衡器之复杂度及维持接收端的低功率耗损,也因此 MIMO 多半与 OFDM 结合为复合技术。 MIMO-OFDM同时为 IEEE 802.16 及 IEEE 802.11n HT (High-Throughput ) 的采用标准之一。 WCDMA 的系统,如 HSDPA , 亦进行将 MIMO 技术标准化的动作。 3.MIMO技术 所谓的 MIMO ,就字面上看到的意思,是Multiple Input Multiple Output (多入多出) 的
13、缩写,大部分您所看到的说法, 都是指无线网络讯号通过多重天 线进行同步收发,所以可以增加资料传输率。 然而比较正确的解释, 应该是说, 网络资料通过多重切割之后,经过多重天 线进行同步传送, 由于无线讯号在传送的过程当中,为了避免发生干扰起见, 会 走不同的反射或穿透路径, 因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一 致而无法重新组合, 因此接收端会同时具备多重天线接收,然后利用 DSP重新计 算的方式, 根据时间差的因素, 将分开的资料重新作组合, 然后传送出正确且快 速的资料流。 由于传送的资料经过分割传送,不仅单一资料流量降低,可拉高传送距离, 又增加天线接收范围,因此MIMO 技术
14、不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传 输速度,而且又不用额外占用频谱范围,更重要的是,还能增加讯号接收距离。 所以不少强调资料传输速度与传输距离的无线网络设备,纷纷开始抛开对既有 Wi-Fi 联盟的兼容性要求,而采用MIMO 的技术,推出高传输率的无线网络产品。 MIMO 技术大致可以分为两类:发射/ 接收分集和空间复用。传统的多天线被 用来增加分集度从而克服信道 MIMO 衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去,在接收机端可以获 得数据符号多个独立衰落的复制品,从而获得更高的接收可靠性。举例来说, 在 慢瑞利衰落信道中, 使用 1 根发射天线 n 根接收天线,发送信号通过 n 个不
15、同的 路径。如果各个天线之间的衰落是独立的,可以获得最大的分集增益为n,平均 误差概率可以减小到,单天线衰落信道的平均误差概率为。对于发射分集技术 来说,同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有 m根发射天 线 n 根接收天线的系统中, 如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰 落,可以获得的最大分集增益为mn 。智能天线技术也是通过不同的发射天线来 发送相同的数据, 形成指向某些用户的赋形波束,从而有效的提高天线增益, 降 低用户间的干扰。广义上来说,智能天线技术也可以算一种天线分集技术。 分集技术主要用来对抗信道衰落。相反,MIMO 信道中的衰落特性可以提供 额外的信息
16、来增加通信中的自由度(degrees of freedom) 。从本质上来讲,如果 每对发送接收天线之间的衰落是独立的,那么可以产生多个并行的子信道。如果 在这些并行的子信道上传输不同的信息流,可以提供传输数据速率, 这被称为空 间复用。需要特别指出的是在高SNR 的情况下, 传输速率是自由度受限的, 此时 对于 m根发射天线 n根接收天线,并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。 根据子数据流与天线之间的对应关系,空间多路复用系统大致分为三种模 式:D-BLAST 、V-BLAST以及 T-BLAST 。 D-BLAST D-BLAST 最先由贝尔实验室的Gerard J. Foschin
17、i提出。原始数据被分为 若干子流, 每个子流之间分别进行编码,但子流之间不共享信息比特, 每一个子 流与一根天线相对应, 但是这种对应关系周期性改变,如图 1.b 所示,它的每一 层在时间与空间上均呈对角线形状, 称为 D-BLAST(Diagonally- BLAST) 。 D-BLAST 的好处是,使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端,提高了链路 的可靠性。 其主要缺点是, 由于符号在空间与时间上呈对角线形状,使得一部分 空时单元被浪费, 或者增加了传输数据的冗余。 如图 1.b 所示,在数据发送开始 时,有一部分空时单元未被填入符号( 对应图中右下角空白部分 ) ,为了保证
18、D-BLAST 的空时结构,在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用 burst 模式的数字通信,并且一个burst 的长度大于 M(发送天线数目 )个发送时 间间隔 ,那么 burst 的长度越小,这种浪费越严重。它的数据检测需要一层一 层的进行,如图 1.b 所示:先检测 c0、c1 和 c2,然后 a0、a1 和 a2,接着 b0、 b1 和 b2 V-BLAST 另外一种简化了的BLAST 结构同样最先由贝尔实验室提出。 它采用一种直接 的天线与层的对应关系, 即编码后的第 k 个子流直接送到第k 根天线,不进行数 据流与天线之间对应关系的周期改变。如图 1.c 所示,它的数据
19、流在时间与空间 上为连续的垂直列向量,称为V-BLAST(Vertical-BLAST) 。由于 V-BLAST中数据 子流与天线之间只是简单的对应关系,因此在检测过程中, 只要知道数据来自哪 根天线即可以判断其是哪一层的数据,检测过程简单。 T-BLAST 考虑到 D-BLAST以及 V-BALST模式的优缺点,一种不同于D-DBLAST 与 V-BLAST的空时编码结构被提出:T-BLAST 。等文献分别提及这种结构。它的层 在空间与时间上呈螺纹 (Threaded) 状分布,如图 2 所示。原始数据流被多路分解 为若干子流之后, 每个子流被对应的天线发送出去,并且这种对应关系周期性改 变
20、, 与 D-BLAST 系统不同的是,在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送, 而是所有天线均进行发送,使得单从一个 MIMO 发送时间间隔来看,它的空时分布很像V-BALST ,只不过在不同的时间间 隔中,子数据流与天线的对应关系周期性改变。更普通的 T-BLAST结构是这种对 应关系不是周期性改变, 而是随机改变。 这样 T-BLAST不仅可以使得所有子流共 享空间信道, 而且没有空时单元的浪费, 并且可以使用 V-BLAST 检测算法进行检 测。 4 技术分类 MIMO 通信技术包括以下领域: 空分 空分复用 (spatial multiplexing)工作在 MIMO 天线配置下,
21、能够在不增加带宽的 条件下,相比 SISO系统成倍地提升信息传输速率,从而极大地提高了频谱利用 率。在发射端, 高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流,不同的子数 据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。如果发射端与接收端的天线阵 列之间构成的空域子信道足够不同, 即能够在时域和频域之外额外提供空域的维 度,使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别,因此接收机能够区分 出这些并行的子数据流, 而不需付出额外的频率或者时间资源。空间复用技术在 高信噪比条件下能够极大提高信道容量,并且能够在“开环”, 即发射端无法获 得信道信息的条件下使用。Foschini等人提出的“贝尔实验室分
22、层空时” (BLAST )是典型的空间复用技术。 空间分集 (spatial diversity):利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输 途径发送相同的资料,以增强资料的传输品质。 波束成型 (beamforming):借由多根天线产生一个具有指向性的波束,将能量集中 在欲传输的方向,增加信号品质,并减少与其他用户间的干扰。 预编码 (precoding ):预编码主要是通过改造信道的特性来实现性能的提升。 以上 MIMO 相关技术并非相斥, 而是可以相互配合应用的, 如一个 MIMO 系 统即可以包含空分复用和分集的技术。 5 研究状况 在 MIMO 系统理论及性能研究方面已有一批文献
23、,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
24、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/(Hzs) 。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
25、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23 天线、上行通路设置13 天线。这样与“单输入 / 单 输出天线” SISO相比,传输上取得了 1020dB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
26、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,B
27、LAST技术获得了 2002年度美国 ThomasEdison (爱迪生)发明奖。 6 重大历程 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44 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
28、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
29、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。 7.MIMO应用 无线宽带移动通信 为了提高系统容量,下一代的无线宽带移动
30、通信系统将会采用MIMO 技术, 即在基站端放置多个天线,在移动台也放置多个天线,基站和移动台之间形成 MIMO 通信链路。 应用 MIMO 技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置 方法上可以分为两大类: 一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列,放置于覆 盖小区,这一类可以称为集中式MIMO ;另一类是基站的多个天线分散放置在覆 盖小区,可以称为分布式MIMO 。 传统蜂窝移动通信系统 MIMO 技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统,将基站的单 天线换为多个天线构成的天线阵列。 基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线 的移动台进行 MIMO 通信。从系统结构的角度看, 这样
31、的 MIMO 系统与传统的单入 单出(SISO)蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。 和传统的分布式天线系统相结合 传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损 耗,能够在小区内形成良好的系统覆盖,解决小区内的通信死角, 提高通信服务 质量。最近在 MIMO 技术的研究中发现, 传统的分布式天线系统与MIMO 技术相结 合可以提高系统容量,这种新的分布式MIMO 系统结构分布式无线通信系统 (DWCS)8成为 MIMO 技术的重要研究热点。 在采用分布式 MIMO 的 DWCS 系统中,分散在小区内的多个天线通过光纤和基 站处理器相连接。 具有多天线的移动台和分散在附近的基站
32、天线进行通信,与基 站建立了 MIMO 通信链路。这样的系统结构不仅具备了传统的分布式天线系统的 优势,减少了路径损耗,克服了阴影效应,同时还通过MIMO 技术显著提高了信 道容量。与集中式 MIMO 相比,DWCS 的基站天线之间距离较远,不同天线与移动 台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关,信道容量更大。 总体上说, 分布式 MIMO 系统的信道容量更大,系统功耗更小,系统覆盖性能更好,系统具有更好 的扩展性和灵活性。 分布式 MIMO 的 DWCS 系统也带来了一些新问题。 移动台和小区内邻近的天线 建立的 MIMO 链路,由于基站不同天线的位置不同, 它们距离移动台的距离不同, 使得
33、基站端的多个天线的信号到达移动台的延时也不同,因此带来新的研究问 题。目前在这方面研究较多的是进行容量分析。除此之外的研究内容还包括:具 体的同步技术、信道估计、天线选择、发射方案、信号检测技术等,这些问题有 待深入研究。 无线通信领域 MIMO 技术已经成为无线通信领域的关键技术之一,通过近几年的持续发展, MIMO 技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方 面, 第 3 代移动通信合作计划 (3GPP)已经在标准中加入了MIMO 技术相关的内容, B3G和 4G的系统中也将应用MIMO 技术。在无线宽带接入系统中,正在制订中的 802.16e、802.11n 和 802.20 等标准也采用了MIMO 技术。在其他无线通信系统 研究中,如超宽带 (UWB) 系统、感知无线电系统 (CR),都在考虑应用 MIMO 技术。 随着使用天线数目的增加,MIMO 技术实现的复杂度大幅度增高,从而限制 了天线的使用数目,不能充分发挥MIMO 技术的优势。目前,如何在保证一定的 系统性能的基础上降低MIMO 技术的算法复杂度和实现复杂度,成为业界面对的 巨大挑战。 雷达领域 MIMO 技术同样也应用于雷达领域,主要通过多个天线发射不同的正交波形, 同时覆盖较大空域,并利用长时间相干积累来获得较高的信噪比。
链接地址:https://www.31doc.com/p-5197567.html