無線通信多樣化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

□陳 棟

在無線通信系統(tǒng)中，時變多徑衰落是影響無線通信可靠性的主要問題。在多徑衰落信道中提高通信質(zhì)量或減小誤碼率十分困難。理論上講，減少無線通信系統(tǒng)中多徑衰落的最有效方法是發(fā)射機(jī)功率控制。另一個有效的方法是使用時間和頻率多樣性［1］。伴隨著無碼修正編碼的時間交錯能夠提供多樣性的改善，在頻率方面也有類似的效果。

一、各種MIMO系統(tǒng)的通信方案

多天線系統(tǒng)提供的空間多樣性是指接收多個相互獨(dú)立的衰落信道的相同信息，因?yàn)樗行诺啦豢赡芡瑫r衰落，因此可以提高鏈接的可靠性［2］。并且可以在多天線系統(tǒng)中通過在空間信道平行地發(fā)送相互獨(dú)立的信息流，從而增加數(shù)據(jù)傳輸速率，這便是所謂的空間多路，該方案在系統(tǒng)自由度受限的高信噪比環(huán)境下尤為重要。在絕大多數(shù)散射環(huán)境中，天線的多樣性是可行的、有效的并且廣泛應(yīng)用的方法，用來減小多徑衰落現(xiàn)象。經(jīng)典的方法是在發(fā)射和接收端使用多天線來改善信號的質(zhì)量。

多天線系統(tǒng)對于改善無線通信系統(tǒng)的性能具有重要意義?；谇叭说墓ぷ?，在理想的CSIR 信道甚至CSIT 信道中，信道容量能夠隨著天線的數(shù)量線性增長。然而由于信道系數(shù)的變化使得多天線發(fā)射接收系統(tǒng)信道估計(jì)變得十分困難。有工作證明在快衰落信道中增加發(fā)射天線不能增加信道容量。利用多天線系統(tǒng)來提高信道容量的關(guān)鍵是需要跟蹤信道變化。

通常一個MIMO通信系統(tǒng)能夠提供兩種類型的增益:多樣性增益和空間多路增益。并且當(dāng)前絕大多數(shù)工作集中在提取最大多樣性增益或是空間多路增益。然而最大化一個增益并不能同時帶來另一個增益的最大化。而現(xiàn)今有資料提供了另一種不同的觀點(diǎn)，即對于一個給定的MIMO 信道，兩種增益可以同時得到［3］，但是卻是以一種折中來得到的，即更高的空間多路性是以犧牲多樣性為代價的。

二、MRRC方案

(一)經(jīng)典MRRC方案。經(jīng)典的MRRC 雙波段接收機(jī)如圖1所示［4］。在給定的時間信號s0從發(fā)射機(jī)發(fā)出，發(fā)射天線和接收天線0 間的信道用h0表示，發(fā)射天線和接收天線1 間的信道用h1表示，因此接收信號就可以表示為:

r0=s0h0+n0r1=s0h1+n1

其中:n0和n1代表復(fù)噪聲以及干擾。雙波段MRRC 的接收聯(lián)合方案如圖1所示。

圖1 經(jīng)典雙波段MRR?C 結(jié)構(gòu)

(二)新的發(fā)射多樣性方案。

1．帶有一個接收機(jī)的雙波段發(fā)射多樣性。新型帶有一個接收機(jī)的雙波段傳輸多樣性結(jié)構(gòu)，在一個給定的信號周期，兩個信號從兩個天線同時發(fā)送，從天線0 發(fā)送的信號表示為s0，從天線1 發(fā)送的信號表示為s1，在隨后的一個信號周期，-s1從天線0發(fā)送，s1*從天線1 發(fā)送。信號采用空時編碼，接收端的信號可以表示為:

兩個聯(lián)合信號的最大似然檢測:

2．帶有M個接收機(jī)的雙波段發(fā)射多樣性。以圖2所示的帶有兩個接收機(jī)的情況為例，發(fā)射端的情況和新型帶有一個接收機(jī)的雙波段傳輸多樣性系統(tǒng)一樣，即在一個給定的信號周期，兩個信號從兩個天線同時發(fā)送，從天線0 發(fā)送的信號表示為s0，從天線1 發(fā)送的信號表示為s1，在隨后的一個信號周期，-從天線0 發(fā)送，從天線1 發(fā)送［4］。接收端所收到的信號為:

其中，接收天線0 在第一個信號周期接收到的信號為r0，第二個信號周期接收到的信號為r1，接收天線1 在第一個信號周期接收到的信號為r2，第二個信號周期接收到的信號為r3。n0，n2，n3復(fù)隨機(jī)變量代表接收端的熱噪聲和干擾。兩個聯(lián)合信號的最大似然檢測是:

注意到從兩個接收天線所得到的聯(lián)合信號是每個接收天線聯(lián)合信號的疊加。

圖2 帶有兩個接收機(jī)的新型雙波段發(fā)射多樣性

(三)MEA 無線信道模型。一個系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)的MEA 信道模型如圖3所示，信道模型可以表示為r(t)=g(t)* s(t)+v(t)。

三、結(jié)語

本文對MIMO 通信系統(tǒng)中所采用的一些改善信號質(zhì)量，提高增益的方法進(jìn)行了歸納。MIMO 通信系統(tǒng)的出現(xiàn)在很大程度上改善了無線通信系統(tǒng)中多徑衰落對通信質(zhì)量的影響，傳統(tǒng)的一些方法多是圍繞提高多樣性增益或空間多路增益來實(shí)現(xiàn)增益的改善。文獻(xiàn)［5］［6］提出了在這種情況下將兩者同時達(dá)到最大的方法。文獻(xiàn)［2］提出了簡化的高頻譜效率的空時通信方法。

圖3 MEA信道模型

［1］解武．MIMO 無線通信系統(tǒng)中的空時分組編碼研究［D］． 哈爾濱工程大學(xué)，2011

［2］許曉紅．無線移動通信中的空時編碼技術(shù)［D］．西安電子科技大學(xué)，2004

［3］謝顯中．移動通信中的空時編碼技術(shù)與接收機(jī)設(shè)計(jì)［D］．西安電子科技大學(xué)，2000

［4］張大鵬．無線MIMO 通信系統(tǒng)中酉空時編碼調(diào)制技術(shù)研究［D］．山東大學(xué)，2009

［5］劉小群．無線通信中的空時編碼技術(shù)的研究［D］．西安電子科技大學(xué)，2009

［6］繆丹，盧曉文，謝顯中．第三代移動通信中的空時編碼技術(shù)［J］．無線電通信技術(shù)，2004