MIMO、空时码与智能天线系统 《宽带无线通信》报告 孙岳

引言 在无线移动通信中，由于存在多径效应及多用户干扰等现象，使得其信道特性十分复杂。在信道衰减严重时，如果没有其他有关发射信号的辅助信息，接受端很难做出正确的判决。如何解决时变的信道衰落所带来的影响，是无线通信与光纤通信等有线通信方式相比面临的一个重要挑战。另一方面：随着通信的发展，用户要求现代移动通信网应该具有提供2Mbit/s以上的高速率业务如多媒体业务的能力。

引言 下一代移动通信系统应致力于解决以下两个问题： l      增强系统通信的可靠性 l   提高系统的频带利用率

引言 分集技术是利用多径信号来改善系统的性能一种抗衰落技术。它将接收到的多径信号变成互不相关的信号，并在接收端对这些信号进行适当的处理，从而改善传输的可靠性。对于频带利用问题，单纯地提高数据速率虽然可以有高的频带占用率，但移动通信的多径时变的信道特性会造成时间和频率上的选择性衰落。

引言 与此同时随着移动通信的发展，移动用户数和服务数不断增加，原有的蜂窝小区容量已经不能满足需要。为满足不断增加的用户对容量的要求，人们把原有的蜂窝小区细分成更小的蜂窝小区，以增加频率复用。进一步在基站以方向天线代替原来的全向天线，以改善信噪比来提高小区容量，这一技术被称作小区扇形分割。虽然采用了扇形分割，但仍然不能解决容量问题。系统设计者开始考虑动态的分割一个小区,从而形成了智能天线系统。

分集技术 目前常用的分集技术有： 时间分集：对于一个随机衰落的信号来说，若对其增幅进行顺序采样，那么在时间上间隔足够远（大于相干时间）的两个样点是互不相关的。因而，可以将给定的信号在时间上相隔一定的间隔重复传输M次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到M条独立的分集支路。

分集技术 频率分集：将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频之间的间隔大于相干带宽，那么接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。但这种方法牺牲了频率资源。 角度分集：由于地形地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来自不同的方向。在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达的方向，则每个方向性

天线分集 天线接收到的多径信号是不相关的，从而达到分集的目的。 空间分集：空间分集的系统在发端采用N个发射天线，收端采用M个接收天线。接收端天线之间的间隔d应足够大以保证个接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的。

MIMO系统 MIMO系统，即多输入多输出系统，如下图所示： 图1 MIMO信道模型

MIMO系统 MIMO空间复用技术是一项增加空中链路数据率的多天线技术。在MIMO系统中，单个数据流被分为多个独立的子数据流，这些子数据流分别被调制后，通过不同的天线在相同的无线信道发送，显然，子数据流的发送速率要低于原数据流。在接受端，这多个子数据流被接收后，再合并为一个数据流。 MIMO系统的主要特征是利用多径传播给用户带来好处。

MIMO系统 在平坦瑞利衰落信道下MIMO系统的信道容量（利用率）公式为： （1） 其中，n是发送天线数，m是接收天线数，SNR是信噪比。

MIMO系统 在衰落信道下，具有多个收发天线的无线通信系统能够提供大的容量。[1]指出：如果接收端可以准确地估计信道信息，并保证不同发射－接收天线对之间的衰落相互独立，对于一个拥有m个发射天线和n个接收天线的系统，能达到的信道容量随着min(m, n)的增加而线性增加，如图2所是示。也就是说，在其它条件都相同的前提下，多天线系统的容量是单天线系统的min(m, n)倍。这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率。

MIMO系统 图2 接收天线等于发送天线的MIMO系统的遍历信道容量

MIMO系统 图3 不同MIMO系统的可获速率比较

空时码 空时码就是在以上信息理论基础上发展起来的,是适合于多天线阵信道的一种编码方案。它综合了空间分集和时间分集的优点，同时提供分集增益和编码增益。从信息论的角度看，多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高。这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率(频带利用率)，也可以通过增加信息冗余度来提高通信系统的性能，或在两者之间取合理的折中。

空时码 从这个角度理解，如果说TCM技术使得单天线系统的信道容量得以充分利用的话，那么空时编码技术就是考虑在多天线系统下如何充分利用信道容量的一项技术。现有的研究表明，空时码能够获得远远高于传统单天线系统的频带利用率，为解决无线信道的带宽问题提供了一个新的解决方案。

空时码 按照空时码适用信道环境的不同，可以将已有的空时编码方案分成两大类： 一类要求接收端能够准确地估计信道特性，如分层空时码、网格空时码和分组空时码。 另一类不要求接收端进行信道估计，如酉空时码和差分空时码。

智能天线系统 本质上讲，智能天线是蜂窝小区扇形分割的延伸，它使得扇形区由多个波束来覆盖。由于智能天线能够将其辐射波束聚焦在有用信号上，同时抑制其它干扰信号，所以它对每一基站能够提供更大的覆盖范围。与此同时，智能天线对干扰产生高的抑制，产生低的误比特率，这样替代的改善了系统的容量。智能天线系统主要可分为两类：旋转波束系统和自适应阵列系统。

智能天线系统 图5 旋转波束系统

智能天线系统 图6 自适应阵列方案 图7 旋转波束方案图

智能天线系统 智能天线将在以下方面提高未来移动通信系统的性能（优点）： l 扩大系统的覆盖区域 l 提高系统容量 l 提高频谱利用率  

MIMO系统、空时码和智能天线系统相结合

MIMO系统、空时码和智能天线系统相结合 由于移动台在体积、电源上的限制使智能天线在移动台的实现比较困难，所以在这里我们将智能天线只用于基站。 在本系统中，小区的基站采用多个智能天线代替普通的天线，移动台仍采用多个普通的天线。具体框图如下：

MIMO系统、空时码和智能天线系统相结合 数字信号处理 信源 空时码 编码器 波形形成 译码器 调制 M个接收天线 N个发射天线 图8 MIMO-智能天线系统

MIMO系统、空时码和智能天线系统相结合 设系统含有n个发射天线，m个接受天线。信道是频率选择性衰落信道。信息比特经空时编码后分成N路，每路经波形形成、调制后由发射天线发射出去。 在接收端，接收信号经下变频，变成基带信号。每一智能天线的数字处理器根据每一天线单元获得的信号迟延计算出有用信号的到达方位角，然后调整对信号的激励（信号的幅度和相位）来产生一个聚焦于有用信号的辐射模式，同时对不感兴趣的信号产生抑制。其输出信号经空时码译码器恢复出原来的信息比特。

MIMO系统、空时码和智能天线系统相结合 在开始的时候，基站的智能天线处于全向模式，这使得它可以接收来自空间各个方向的信号。然后，一但一个信号被检测到，基站的智能天线系统利用其系统的每一个天线单元接收到的信号迟延时间来估计出信号的到达方位角，然后将天线系统转换成方向模式工作，即天线发出的波束指向信号到达的方向。以后基站定时估计移动用户发出信号的方向，并与前一此的方向进行比较。如果移动台的位置发生大的变化并被智能天线系统检测到，则智能天线系统动态的调整其波束方向，使其重新对准移动台的方向。

结论 通过上面的方法，我们将MIMO系统、空时码和智能天线系统有机的结合在了一起。这样大大的改善了系统的性能。但本系统也存在以下问题： 1 如何有效的进行信道参数估计，这是空时码 译码器进行译码的关键。 2 现在的移动台（手机）的体积越来越小，要 在移动台上使用天线分集技术显然是很困难， 并且成本代价很高。

结论 3 智能天线的接收机系统结构较传统的接收 机复杂的多了，并且成本很高。 4 智能天线要获得合理的增益就需要必要的 3 智能天线的接收机系统结构较传统的接收 机复杂的多了，并且成本很高。 4 智能天线要获得合理的增益就需要必要的 天线阵，这就意味着占用大的空间。由于 现在公众越来越需要不可见的基站，这将 显然是一个问题。

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