文档介绍：第一章绪论
MIMO系统的概述
多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该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,是新一代移动通信系统必须采用的关键技术[1]。
多输入多输出(MIMO)系统是在无线通信智能天线技术的基础上发展起来的,其主要特点就是在通信系统的收发两端采用多天线配置,以解决未来移动通信系统大容量、高速率传输和日益紧张的频谱资源间的矛盾。
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。因为,和智能天线技术不一样的是,在MIMO系统中从任意一个发送天线到任意一个接收天线间的无线信道是相互独立的或者具有很小的相关性。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。
一句话,MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统就是利用多天线来抑制信道衰落[1]。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 Multiple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。
图1-1为MIMO系统的示意图。
发射天线接收天线
空
时
信号处理
矩阵信道
空
时
信号处理
输入 输出
图 1-1 MIMO系统示意图
MIMO系统的引入
传统的无线通信系统是采用一个发射天线和一个接收天线的通信系统,即所谓的单输入单输出(SISO)天线系统。SISO天线系统在信道容量上具有一个通信上不可突破的瓶颈—Shannon容量限制。不管采用哪种调制技术、编码策略或其他方法,无线信道总是给无线通信工程做了一个实际的物理限制。这一点在当前无线通信市场中形势尤为严重,因为用户对更高的数据传输速率的需求是非常迫切的,必须进一步提高无线通信系统的容量
[2]。
可以实现这个目标的方法有很多,如设置更多的基站、拓宽带宽等。增设基站意味着采用更多的蜂窝,这是提高容量代价最大的办法。由于目前实际的无线应用市场仍是在3G系统和WLAN(无线局域网)之间,是微波频带,加大该频带的带宽,就会导致与现行系统具有非常大的兼容性问题,其代价也是很昂贵的,因此更高频段的使用在近期内不是提高无线通信系统容量问题的最佳解决方法。
有一个提高系统容量的方法是使用分集技术,提高发射、接收信噪比,以增大系统的容量,近年来,主要是通过在接收端使用多元阵列天线来获得接收分集,其发射天线仍采用一个阵元,这就是SIMO系统。为减小接收端特别好似移动终端的处理复杂度和体积,可以考虑把接收分集处理技术平移到发射端,发射天线采用阵列结构而接收天线采用单天线结构,这就是等价的MISO系统。
SIMO和MISO技术的进一步发展就自然产生了收发两端同时采用阵列天线的系统—MIMO系统。
本课题研究的意义
MIMO技术已不是传统的无线通信智能天线,其优势已非常规智能天线所及。智能天线采用加权选择算法驱动波束指向,通过将能量聚集到期望方向而提高信噪比,抑制而不是利用多径传播。对于MIMO系统,若其M副发射天线与N副接收天线形成的无线链路M×N信道矩阵的元素是完全独立的,则系统的容量随最小天线数目线性增长,而不是采用智能天线下的对数增长。理论上,如果天线的空间和成本与射频通道不受限制,MIMO系统就能提供无限大的容量,这是空间维度充分结合时间维度的结果,即采用空时编码的数据流利用矩阵信道而不是智能天线系统中的向量信道传输数据[3]。
无线通信系统的三个主要的有害因素是:信号衰落、码间干扰和同频道干扰。而利用MIMO通信结构能抗多径衰落、增加数据传输速率以及提高系统容量。采用阵列天线技术,MIMO系统具有以下优点:
(1) 利用或减轻多径衰落:MIMO技术能够充分采用多径的各种发射、合成技术,提高无线通信系统的性能。
(2) 消除共道干扰:MIMO系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测技术对共道干扰进行有效抑制和消除。
(3) 提高频谱利用率、增加发射效率、减小发射功率、减小空间电磁干扰及增大系统容量:由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响,因而在一定的
SINR(信干噪比)条件下可以降低误码率,或者在一定的误码率下可以降低检测所需要的信干噪比。MIMO系统能够抑制或消除共道干扰以及码间干扰,同时利用分集技术提高接收信号的信干噪比,因此基站和移动终端的发射功率可以得到一定程度的降低,同时减小空间电