MIMO无线通信技术的四大发展

作者：韩旭东 曹建海

欢迎访问e展厅 展厅 2 手机/通信/网络设备展厅 手机, 调制解调器, 网管控制器, 光传输系统, 程控交换机, ... 随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。 如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。研究证明，MIMO技术非常适用于城市内复杂无线信号传播环境下的无线宽带通信系统使用，在室内传播环境下的频谱效率可以达到20-40bit/s/Hz；而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1-5bit/s/Hz，在点到点的固定微波系统中也只有10-12bit/s/Hz。MIMO技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，被认为是新一代无线通信技术的革命。 什么是MIMO技术 任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。无线MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理。在多径环境下，无线MIMO系统可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输率。 MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，目前针对MIMO信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。 MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。MIMO技术有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。MIMO技术成功之处主要是它能够在不额外增加所占用的信号带宽的前提下带来无线通信的性能上几个数量级的改善。 MIMOOFDM技术实现高速数据传输 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小了多径衰落的影响。而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效的增加了系统的传输速率，即由MIMO提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，如果我们将OFDM和MIMO两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统很高的传输速率，另一种是通过分集达到的很强的可靠性。同时，在MIMO-OFDM系统中加入合适的数字信号处理的算法能更好的增强系统的稳定性。 MIMOOFDM系统能够同时增大空间复用技术和OFDM技术的能力，有利于增加系统的容量和高速率的传输。通过多路数据流在发送天线的同时发射，实现了在相同带宽的情况下的多路空间并行信道。这样的系统不仅发挥了OFDM和空间复用技术的优势，同时也有效的利用了空间的并行性和频率选择性。在接收判决一方，将接收信号转化为若干子信号分别通过OFDM的子载波立方式。 空时编码技术实现可靠的无线数据传输 最近几年来空时编码技术在无线通信领域引起了广泛关注。朗讯实验室的Forchini和Gans，AT&T的Tarokh及其同事们在这方面作了关键性工作，率先提出了空时编码的概念。空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线，因为空时编码同时利用时间和空间两维信号处理来构造码字，这样才能有效抵消衰落，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。需要说明的是，空时编码技术因为属于空间分集的范畴，所以要求在多散射体的多径情况下应用，天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性，以充分利用多散射体所造成的多径(也称之为充分多径)。 空时编码方案结合了信道编码和多发送天线，通过空时编码后的数据被串并转换成n个数据流，每一路数据流经脉冲形成、调制，然后通过n个天线同时发送到无线空间。在接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接收，每一个接收天线接收到的是n个发送信号与干扰噪声线性的叠加(衰落系数为权重)，然后通过最大似然检测的方法，正确地识别出发送信号。空时译码算法和信道估计技术结合以获得分集增益和编码增益。 目前，空时编码基本上有空时分组码(STBC)、空时格状码(STTC)和空时分层码(BLAST)等多种。 智能天线技术实现有效的无线数据服务 MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。因此，MIMO技术可以看作是智能天线的扩展。 在多天线技术中，最受关注的是智能天线技术，国际电联已明确将智能天线技术作为三代以后移动通信技术发展的主要方向。智能天线通常也被称作自适应天线，主要用于完成空间滤波和定位。从本质上看，智能天线利用了天线阵列中各单元之间的位置关系，即利用了信号的相位关系，这是它与传统分集技术的本质区别。从一定意义上看，智能天线可看作是一种空分多址SDMA，在SDMA中，多个用户可共享一个信道，这将极大地增加系统容量。 智能天线技术可以定义为：具有波束成形能力的天线阵列，可以形成特定的天线波束，实现定向发送和接收。智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号、多址干扰以及多径干扰信号。智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵智能天线，简称多波束天线和自适应阵天线。 更高数据速率和越来越复杂的工作特性必然要求下一代无线通信的天线系统提供精确而且灵活的干扰控制。而智能天线提供了一种方案来解决困扰无线网络的根本问题。因此，智能天线一定会在移动通信系统中得到广泛的应用。 软件无线电实现MIMO无线通信的最佳选择 软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平台，所有的应用都通过在该平台上的软件编程实现。该技术将能保证各种移动台、各种移动通信设备之间的无缝集成，并大大降低了建设成本。 软件无线电与MIMO技术相结合，将根本改变其实现方式，实现无线宽带通信的技术融合并能容纳各种标准、协议，提供更为开放的接口，最终大大增加网络的灵活性。在未来移动通信中，软件无线电将改变传统的观念，给移动通信的软件化、智能化、通用化、个人化和兼容性带来深远的影响，并将在本世纪形成和计算机及程控交换机相当的巨大产业。 软件无线电技术是最近几年提出的一种实现无线通信的新体系结构。软件无线电技术可与MIMO技术相结合在通用芯片上用软件实现专用芯片的功能，其优势已经得到了充分的体现。软件无线电技术的使用将会给MIMO无线通信系统带来以下好处： * 可克服微电子技术的不足 * 系统增加功能通过软件升级来实现 * 减少用户设备费用支出 * 可支持多种通信体制并存 * 便于技术进步和标准升级 软件无线电可以充分利用数字化射频信号中的大量信息，评估传输质量，分析信道特点，实施采用最佳接入模式，灵活分配无线资源，实现MIMO移动通信系统的动态管理和优化。从近期发展上看，软件无线电技术可以解决不同标准的兼容性，为实现全球漫游提供方便；从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现可以根据无线电环境的变化而自适应的配置收发信机的数据速率，调制解调方式，信道编译码方式，调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化，从而更加充分的利用频谱资源，在满足用户QoS要求的基础上使系统容量达到最大。 后记 多入多出(MIMO技术)是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现数据速率，提高传输质量的重要途径。目前，对下一代MIMO无线通信系统进行确切的定义还为时尚早。随着新技术和人们的新要求不断出现，MIMO无线通信技术将作相应调整和进一步发展。纵观无线通信发展规律，我们相信，下一代M1MO无线通信系统的高速率、高质量、大容量的多媒体服务，将使我们的世界更美好。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/6/2007)