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基于MIMO技术的下一代无线通信系统_图文

发布时间:

簟41●第e期 2008年6月

中国电力
ELECTRIC POWER

V01.41.No.8

J帅.20∞

基手M IMO技术时卞一代羌线通信紊缀
朱少敏1,刘建明z
(1.中国电力科学研究院,北京100192;2.国网信息通信有限公司,北京 100761)



要:多人多出(MIMO)技术充分利用空间资源.采用多个天线实现信息多发多收,具有频谱利用率高

和扩大系统容量的优点.是无线通信领域技术的重大突破,被广泛认为是下一代无线通信系统必须采用的 关键技术之一.是解决频谱资源匮乏的有效解决方案.在分析MIMO原理的基础上阐述实现MIMO的关键
技术并介绍MIMO技术目前的研究热点与趋势.提出MIMO技术在电力系统应急通信领域中的应用.

关键词:多人多出技术;频谱利用率;信道容量;下一代无线通信系统
中图分类号:TN911.2 文献标识码:A 文章编号:1004.9649(2008)06.0074.05

式中:厶为单位矩阵;日为信道矩阵;p为发射总功率.

0引言
随着通信系统的迅速发展.人们对通信系统的 服务质量,数据传输速率都提出了更高要求.具有可 移动性,使用灵活,易于维护,可扩展性强的无线通 信系统应用场合越来越多.面对数据业务特别是多 媒体数据业务爆炸性的增长.无线系统中有限的带 宽以及容易造成干扰回波与反射多径效应极大地制 约了无线通信系统的进一步发展.多人多出技术
(Multiple—Input Muhiple—Output.MIM0)是无线通信 领域技术上的重大突破.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.

从式(1)可知,理想状况下.MIMO系统的信道 容量随天线数量增加.这就给解决频谱资源紧张的 无线通信提供了新的解决办法. 利用发射端和接收端多天线系统的信道特性. 可提高系统数据速率.由图l可以看出.将要传输的 高速数据码流进行串并转换.转换成较低速的数据 子流.并行地在各个发射子天线上发送.这些并行的 数据子流被同时发送到信道.由于各发射接收天线 间的通道响应彼此独立.多入多出系统可以实现多 个并行空间信道并存.通过这些并行空间信道独立 地传输信息,必然提高了系统的数据传输速率.同时 由于采用并行传送多个数据子流.总的信道容量得 到了很大地提高.而MIM0系统中各发射信号占用 同一频带.并没有增加频率使用的范围.

成为下一代无线通信系统研究的热点问题之一.
1

MIMO技术的背景和基本原理
编 译 码 解 调

MIMO是通过增加发射天线和接收天线数量来 增加信道容量,抑制信道衰落.以实现提高频谱利用 率和数据传输速率.达到保证数据传输服务质量的
目的.
1.1

码 调 制

MlMO技术提高空间复用增益 MIM0技术为系统提供空间复用增益.提高系
1.2

图1 Fig.1

MIMO系统模型 MIMO system model

统信道容量.对于单一信道.根据香农容量公式可

写出它的信道容量为:C=Bl092(1+聊V)其中S/N表
示接收机入口处的信噪比,C为信道容量,B为接收 机带宽.对于发射天线数为Ⅳ,接收天线数为肘的 多人多出系统.在可以分离发送信号的情况下则信
道容量: C=l092det[Jn+(p/M)HH']
(1)

MIMO技术提高空间分集增益 在无线通信信道中.由于建筑物,天气等外围因 素造成的无线衰落信道时变特性和多径特性.容易 引起码间干扰.这就导致信号在到达接收端时失真 较大.不能正确地被接收端解调.因而会大大降低系 统的性能.在实际应用中,简单地通过提高发射机功 率或额外增加信号带宽来获得高信噪比是比较困难

收稿El期:2007—12-24;修回El期:2008-02-19

作者简介:朱少敏(1983.),男,安徽庐江人,博士研究生,从事网络与信息安全研究.E-mail:smzhu@sgcc.@om.cn



第6期

朱少敏等:基于MIMO技术的下一代无线通信系统研究

的.目前,分集技术成为克服多径衰落.提高系统服 务质量的有效方法. 分集的基本原理就是通过多个信道(时间,频率 或者空间)传输信息内容相同的多个副本.由于多个 信道传输特性不同.多个副本各自的衰落也不相同. 接收端通过特定的算法能比较正确地恢复出原发送 的信号.这种冗余传输策略,被称为分集技术.在分 集技术中.空间分集技术可以不用增加信号频率带 宽.在保证数据传输速率的同时获得极大的分集增 益.因此相对于时间分集和频率分集有着更为广泛 的应用前景. 空间分集方式有发送分集方式与接收分集方 式.通常认为单人多出SIMO是接收分集方式.多入 单出MISO是发射分集方式[2].多输入多输出系统 中综合考虑了2种方式.发射端或者接收端的多个 天线中.要求各个天线之间有足够的隔离度(通常相 隔lO个信号波长以上).保证多个信号之间的独立 性.因此MIMO系统能够提供更高的空间分集增 益,提高信道的可靠性,降低信道误码率.
2

号转换成并行的低速子数据流.调制到不同的子信 道上进行传输.具有灵活性高,方便操作,使用标准 数字处理技术易于实现等优点. 在下一代无线通信系统中.多径衰落效应和频 谱利用率是2个最重要的课题.MIMO技术能够在 空间中产生独立的并行信道并且在同一频率基础上 同时传输多路数据流.这样就大大提高系统频谱利 用率.但是其克服多径衰落效应的作用是有限.同时 OFDM技术虽然在频谱利用率;tr面不如MIMO技 术.但是其每个子信道上的频率选择性衰落是平坦 的.大大消除了可能存在的多径衰落效应Ⅲ.因此 MIM04-OFDM技术结合可以利用时间,频率和空间 3种分集技术.使无线系统对噪声,干扰,多径的容 限大大增加.同时实现高频谱利用率和高性能可靠 性.提高整体系统性能,满足下一代无线网络高通信 质量的要求.
2.3

MlMO多天线系统设计 MIMO技术是在发射端和接收端均采用多根天 线用于收发.多天线系统是MIMO无线系统的重要 组成部分.其性能直接影响MIMO信道的性能.MI.

MlMO核心技术
MIM0技术贯穿于下一代无线通信系统 3G/4G)中各个部分.从编码,调制,天线等

MO技术也可以看成是多天线技术扩展.

MIMO系统的天线必须具有分集功能与空间复
(Beyond

各部分采用一系列新技术.主要涉及的关键技术包 括空时编码技术,MIMO+OFDM调制技术和天线设 计技术等[引.
2.1

用功能.各天线单元尽可能多的接收各方面散射波. 在多天线设计中发送单元数目,接收单元数目,天线 单元间距以及天线安装位置等都是需要考虑的重要 因素.如基站中天线数目多且安装位置高,要求天线 单元间距较大:偏远地区的宏小区环境可能需要若 干个波长间隔才能获得天线解相关.而丰富散射的 室内环境可能只需半个波长间距吲.因此.不同散射 环境中天线单元间距也不一样. 3

空时编码技术

空时编码(STC)是利用发射端和接收端多个天 线.构造时间和空间两维信号处理来构造码字,达到 有效抵消衰落.提高功率效率;并且能够在传输信道 中实现并行的多路传送,提高频谱效率.为了充分利 用多散射体所造成的多径因素.要求天线间距应适 当拉开以保证发射,接收信号相互独立性. 空时编码的基本工作原理是:从信源给出的信 息数据流到达空时编码器后.数据被串并转换成若 干个数据流.数据流经调制形成多个矢量输出,通常 称这些输出为空时符号(STS)或者空时矢量符 (STVS).目前空时编码方式主要有3种.分别为贝 尔分层空时结构,空时格型编码,空时分组码. 衡量空时编码的性能参数有2个:一个是采用 多天线发送与接收所获得的分集增益.它决定误码 率曲线随信噪比增加下降的速度:另一个是编码所 获得的编码增益.它在分集增益确定的情况下,可以
决定误码率曲线的平移(3]. 2.2

MIMO研究热点与趋势

目前MIMo技术的研究已经日趋系统和完善. 国际上很多研究机构已不断推动MIMO技术的标 准化进程.包括MIMO无线传播信道模型标准化和 MIMO技术标准化.以MIM0技术为核心的 IEEE802.16,IEEE802.11n等标准正日趋完善.但是 在实际的系统中要达到MIMO理论上的良好性能 仍然有许多技术难点.这些难点也就成为目前研究 的热点问题.同时.MIMO技术正在从前期单纯理论 研究发展到理论研究结合实际应用的阶段.
3.1

MIMO无线信道的建模与仿真 与传统无线通信的信道不同.MIMO信道在大

MIMO+OFDM调制技术 正交频分复用(OFDM)技术是多载波调制技术

多数情况下都有一定的空间相关性.为了充分利用 无线信道的多径传播.更好地使用MIMO技术开发 空间资源,需要对MIMO无线信道特性.尤其是空 间特性进行深入的研究.

一种,它将信道分成若干正交子信道.将高速数据信



中国电力

第41卷

研究表明.无线信道中的散射传播多径分量只 有在非常丰富的条件下.各对发一收天线单元间的 多径衰落才趋于独立.信道矩阵才趋于满秩;相反, 如果散射不够丰富或天线单元间距较小等.多径衰 落将不完全独立.信道矩阵也非满秩.MIM0信道的 空间优势得不到充分发挥.MIMO系统传输方案的 性能将下降[5】.对需开发MIM0无线信道模型中模 拟各种实际信道条件,评估各种空时处理算法的相 对性能,仿真与优化设计高性能的通信系统就显得 格外重要.尽管第3代移动通信标准3GPP对链路 级的信道参数进行了定义.但是对于如何实现并没 有达成共识.研究信道的相关性对系统容量的影响 成为MIM0技术的研究方向之一.
3.2

频率的20%或一10 dB绝对带宽超过500 MHz.抗多 径衰落是超宽带技术最显著优点.这是因为UWB 系统中信号带宽有几个吉赫,具有很高的分辨率.能 够分别达到纳秒级的多径信号.在有限的空间内 UWB系统能够提高分集增益.实现分集接收. 将MIMO技术可以和UWB系统进行结合.可
以提高UWB系统链接可靠性和速率适配能力.同

时UWB系统中的非常窄的脉冲可以提高接收端分 集接收的有效性[7].因此将2项技术结合的系统能 够在时域上有效的降低码间干扰等问题.显著提高 系统性能.
3.2.3

MIM0技术在WiMAX中的应用
Interoperability for

全球微波接入互通(Worldwide

MlMO技术的应用 2007年10月.以MIM0技术为基石的WiMAX

MicrowaveAccess.WiMAX)是一项以IEEE802.16系 列标准为基础的宽带无线城域网接人技术.最大传
输速度75 Mb/s,最大传输距离为50 km,实现固定,

协议正式成为3G入围标准.同样.面向4G的IEEE 802.16 m标准也是应用MIMO技术实现"快速移动 状态"下100 Mbls的传输速率.其他无线标准组织 WiBro,802.20等也在探讨深入应用MIMO技术.迅 速发展的MIMO技术已越来越多地应用于各种具 体的无线通信系统. MIMO技术在3G中的应用 随着第三代移动通信技术的发展和高速下行分 组接人HSDPA对高速数据传输的要求.人们提出
3.2.1

移动,便携式环境下高速数字信息与多媒体业务.在 无需直接视距基站情况下也可以提供1 km左右的 无线宽带接人.
基于IEEE 802.16标准的WiMAX系统支持包

括自适应天线系统AAS(或称智能天线系统)和
MIMO技术在内的多天线技术.相比而言,MIMO技 术性能更优越.如采用4天线阵元的WiMAX.AAS 能将系统吞吐量提高50%:MIM0却能将系统吞吐

了基于MIMO技术与CDMA系统相结合的码复用 方式.所谓码复用方式是指通过多根天线上发送的 不同数据层.采用相同扩频码集.使得每一数据层中 多个CDMA码道上的数据可以用它们采用的不同 扩频码区分.共享同一个扩频码的不同层中的数据 可以用它们经历的不同空间信道特性进行区分. 同时在WCDMA中.人们提出了分层蜂窝结构 HCS.分层蜂窝结构是由微小区,宏小区2层组成, 也可以由微微小区,微小区,宏小区3层组成.HCS 中的微微小区覆盖半径为几十米到几百米.因此, HCS微微小区的通信环境刚好满足室内MIMO系 统的要求.将MIMO的高吞吐量与HCS的大覆盖面 积相结合.既能得到微微小区的单位面积上的大用 户数的优势.又可以利用MIMo系统的单位频谱上 的高效率可以满足大部分的通信需求C6]. 在美国拉斯韦加斯举办的2006年cTIA无线 通信展上.爱立信公司完成了全球首次基于多输人 多输出技术的高速分组接入演示.演示的结果表明 采用MIM0技术的HSPA可把下行链路的传输速率 提高l倍至28 Mb/s.由于MIM0作为3GPP版本7 的基石之一.爱立信预期将于2008年在商业网络中 采用MIMO技术.
3.2.2

量提高1倍左右.AAS对信道准确可靠估计要求较 高.移动便携式环境下城域网多径弥散环境对系统 影响较大[8].因此,MIMO技术更能满足WiMAX发 展需要.支持MIMO技术的WiMAX系统正广泛应 用于无线城域网中.
3.3

MIMO芯片的研发 随着MIMO技术日趋成熟和适应市场发展.诸
.

多制造商纷纷进行MIMO芯片的开发.目前,主要
的MIMO芯片制造商包括Airgo,Atheros,Metalink

与Ralink等.一些设备制造商已将芯片用于自己的 MIMO产品[,1.目前.全球的MIMO芯片市场日益壮 大.为MIMO技术的商用打下基础. 如Airgo公司已经开始测试该公司第3代的 MIMO芯片.并表示他们已经达到了预期的传输速 度目标.该公司宣称,将在不久开始提供给路由器, 手提电脑与其他装置使用的Tme MIMO Gen3芯
片.有高达240 Mb/s的理论速度.而实际速度也超
120

Mb/s.这个速度甚至将比大多数的有线以太网

络还要快.

4结语
尽管光纤技术在电力系统中的应用范围越来越 广.但是无线通信技术仍然还在发挥着重要的作用.

MIM0技术在UwB中的应用

超宽带是指信号的-10 dB相对带宽超过中心



第6期

朱少敏等:基于MIMO技术的下一代无线通信系统研究

许多单位利用无线技术作为安全生产和抗灾抢险的 备用通道.尤其在山区.早些年建立的一点多址微波 通信系统仍在发挥着重要的作用.一点多址通信系 统是一种面向用户的点对多点组网微波通信系统. 近些年来.由于设备老化,备品备件等问题.如何利 用原有的空间走廊,通信设备改造电力系统的一点 多址微波通信系统.已经成为许多电力通信人员普 遍关注的问题.尤其是2008年初我国南方地区的这 场冰雪灾害.使人们更加注重无线通信系统的建设. 采用支持MIMO技术的WiMAX可以扩展系统中微 小站传输路数.满足变电所通信需求,使系统改造成 一种独立的备用通信手段.同时,WiMAX系统的传 输速度和传输距离能够更好地提升一点多址通信系 统的性能.使得通信系统能够满足电力系统高速数 据传输的需要. MIMO技术的研究与应用是近10 a来无线通信 领域重大的技术突破.MIM0技术以其能够显著扩 大系统信道容量,改善系统性能,提高频带利用率等 特有的优点将成为下一代无线通信系统中的关键技 术之一.目前.MIM0技术在通信理论方面还有待于 进一步研究与完善.其在算法设计,信道建模与仿 真,天线设计与布局,合适测试平台的构建,芯片开 发与标准化方面还有大量工作有待进行.同时,随着 人们对无线通信的需求不断提高.MIMO技术在电 力系统一定有广泛的应用前景.

子,20005,15(3):88-90.
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(责任编辑张重实)

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ZHU Shao-minl,LIU Jian·rains

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Electric PowerResearch Institute,Beijing 100192,China;

Information&Telecommunication Co.,Ltd.,Beijing 100761,China)

Abstract:Multiple—Input

Multiple-Output(MIMO)technology makes the best of space reBource,adopts multi-antennas for realizing and multi-receiving.11liB technology has many merits.such∞high utilization of frequency spectrum and
one

information multi—transmitting

impmved system capaeity.MIMO is deemed to
in
next

of magnitude technologies in wireless communication region and
to

one

of key technologies theory of

generation wireless communication
WaS

system.In order

resolve shortage of bruited frequency spectrum
was

reB伽Ice.the basic

MIMO

analyzed,the key

technologies

for realizing MIMO

expatiated and the

rematch hotspots and directions of MIMO were
was

pointed,MIMO technology applied in the field of power system emergency communications Key words:multiple-input system

proposed.

multiple-output;frequency spectrum utilization;channel capacity;next generation wireless communication
r



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基于MIMO技术的下一代无线通信系统
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 引用次数: 朱少敏, 刘建明, ZHU Shao-min, LIU Jian-ming 朱少敏,ZHU Shao-min(中国电力科学研究院,北京,100192), 刘建明,LIU Jian-ming(国网 信息通信有限公司,北京,100761) 中国电力 ELECTRIC POWER 2008,41(6) 0次

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