MIMO技术及其应用研究.doc
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1、1MIMO 技术及其应用研究信息工程系 郭振民摘摘 要要: : 在无线通信中,受多径干扰的影响,传输信号有较大的失真。采用空间分集技术,通过使用多个发送天线和多个接收天线,可以在一定程度上保证传输的信号质量。技术研究和分析表明无线移动通信领域智能天线的重大突破就是MIMO 技术,它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,是下一代移动通信系统中最富有竞争力的技术之一。文中给出了多输入多输出(MIMO)技术的概念,分析了 MIMO 系统的容量和 MIMO-OFDM 系统的组合结构。关键词关键词: : 空间分集,多输入多输出技术,正交频分复用技术1 引言多输入多输出技术(Mult
2、iple-Input Multiple-Output,MIMO)是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,显示出明显的优势,被视为下一代移动通信的核心技术1。OFDM 作为多载波调制技术具有频谱利用率高、抗选择性衰落能力强等突出的优点,具有广阔的应用前景,被认为是第四代移动通信的支柱技术。如何使二者优势互补,有效整合,便成为国内外学者广泛关注的热点。本文介绍了 MIMO 技术的概念,分析了系统容量,给出了
3、MIMO 技术与 OFDM 技术有效整合的实用方案,这些研究对促进移动通信技术的发展有一定指导意义。2 MIMO 系统原理MIMO 系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个通道,如图 2.1 所示。C1(k) R1(k)Sj(k)CM(k) RN(k) 图 2.1 MIMO 系统原理信源空 时 编 码空 时 编 码信宿2传输信息流 S(k)经过空时编码形成M个信息子流,这MiC ( ),1,2,.,k iM个子流由M个天线发送出去,经空间信道后由N个接收天线接收,多天线接收机能够利用先进的空时编码处理技术分开并解码这些数据子流,从而实现最佳处理。MIMO 是在收发两端使用多个天线,每个收发天线
4、之间对应一个 MIMO 子信道,在收发天线之间形成信道矩阵H,在某一时刻 t,信道矩阵为:MN(2.1)1,12,1,11,22,2,21,2,.( ). .ttt Mttt Mttt NNM NhhhhhhH thhh 其中 H 的元素是任意一对收发天线之间的增益。M 个子流同时发送到信道,各发射信号占用同一个频带,因而并未增加带宽。若各发射天线间的通道响应独立,则 MIMO 系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行的信道独立传输信息,必然可以提高数据传输速率。对于信道矩阵参数确定的 MIMO 信道,假定发射端总的发射功率为 P,与发送天线的数量 M 无关;接收端的噪声用矩阵n表示,其元素
5、是独立的零均值高斯复数变量,各个接1N 收天线的噪声功率均为; 为接地端平均信噪比。此时,发射信号是 M 维统2计独立,能量相同,高斯分布的复向量。发射功率平均分配到每一个天线上,则容量公式4为:(2.2)det(log2H NHHMIC固定 N,令 M 增大,使得,这时可以获得到容量的近似表达式:H1NHHIM(2.3)1 (log2 NCdet 代表行列式,IN代表 M 维单位矩阵,HH表示 H 的共扼转置。从上式可以看出,此时的信道容量随着天线数的增加而线性增大。即可以利用 MIMO 信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发射功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高,充分展现了 M
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