無線通信MIMO技術(shù)淺析

李俊

摘要：MIMO技術(shù)是一種新型無線通信技術(shù)，它可以同時發(fā)送和接收多個空間信息流，因此其成倍地加大了無線信道容量，頻譜利用率顯著提高，并且MIMO信道提供的空間復(fù)用增益及空間分集增益，利用多天線對信道衰落有一定抑制作用。OFDM技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種多載波傳輸技術(shù)，通過傅里葉正反變化實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，物理實現(xiàn)上復(fù)雜度也較低。然而通常MIMO-OFDM技術(shù)的多徑傳播會引起頻率選擇性衰落，而且有時信號在實際傳播時會由于移動臺的快速移動產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。本文通過對MIMO-OFDM系統(tǒng)中無線信道衰落變化分析，進(jìn)而全面研究了信道容量與天線以及信噪比之間相互作用關(guān)系。

關(guān)鍵詞：MIMO OFDM 信道衰落 信道容量

中圖分類號：TN919.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）11-0028-02

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以及人們追求生活品質(zhì)的提高，人們對于通信早已不再滿足簡單的通話要求。現(xiàn)代移動通信業(yè)務(wù)種類繁多，在國民經(jīng)濟(jì)中服務(wù)和戰(zhàn)略作用日益明顯，而且面對日益匱乏的資源如何建立更高效、安全、快捷的移動通信系統(tǒng)迫在眉睫。MIMO技術(shù)以其高效的信道容量和頻率利用率將成為下一代移動通信重要技術(shù)，MIMO-OFDM系統(tǒng)更是作為新課題被廣泛研究，但是MIMO-OFDM系統(tǒng)同樣存在信道衰落以及多普勒效應(yīng)等一系列問題。因此，MIMO-OFDM系統(tǒng)的發(fā)展和完善還需要更多的參與和研究。

1 MIMO的概念及特征

多輸入多輸出MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)是一種新型無線通信技術(shù)[1]，最早由馬可尼提出，它通過使用多個發(fā)射天線發(fā)射基帶信號并且在接收端使用多個天線接收信號的模式，使信號更大范圍內(nèi)有效傳送，在合理充分利用空間資源的同時提高了系統(tǒng)信道容量，因而受到越來越多的關(guān)注和研究。近年來，對MIMO的研究主要集中在系統(tǒng)信道編碼技術(shù)及信道估計算法研究，包括信道編碼建模分析以及自適應(yīng)信道估計技術(shù)等等。

如圖1所示，MIMO系統(tǒng)采用分立式的多天線發(fā)送和多天線分集接收技術(shù)。其過程為在發(fā)射端通過空時編碼技術(shù)將信源進(jìn)行編碼，從而信源信號分解形成個子信息流，=1，2，……。通過MIMO系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)，nr個子信息流分別通過多個天線發(fā)射，天線之間避免相互干擾，互相獨立的空間分集發(fā)射，然后經(jīng)MIMO系統(tǒng)無線信道傳輸之后在接收端由個接收天線接收，經(jīng)由空時譯碼后得到信號。

我們知道香農(nóng)公式給出信道容量的定量計算式（1-1）：

（1-1）

顯然，MIMO系統(tǒng)中由于發(fā)射信號數(shù)據(jù)被分割成多個子數(shù)據(jù)流，其信道容量會隨著子數(shù)據(jù)流的增加而增長，其容量可用下面公式表示：

（1-2）

其中，Nr表示子數(shù)據(jù)流的個數(shù)，從公式（1-2）看出，相同信噪比下，MIMO系統(tǒng)成倍提高了信道容量，技術(shù)優(yōu)勢凸顯。

2 無線信道的基本特性

無線信道是無線通信系統(tǒng)的傳輸管道，在無線通信中信道傳輸?shù)暮脡闹苯雨P(guān)系著整個無線通信系統(tǒng)的優(yōu)劣。而且對于MIMO系統(tǒng)而言，多輸入和多輸出天線的加入本身增加了傳輸信道的負(fù)擔(dān)，同時發(fā)射端和接收端的傳播路徑變得尤為復(fù)雜，而且無線信道具有很大的隨機(jī)性。無線信道為基站天線與移動臺天線之間的電磁傳播路徑，其衰落特性決定著通信系統(tǒng)的優(yōu)劣。根據(jù)不同的特性，衰落一般有大尺度衰落和小尺度衰落[3]。前者主要由于障礙物阻擋、路徑損耗或天氣變化引起的；相對而言，小尺度衰落產(chǎn)生的原因更為復(fù)雜，包括移動終端在高速移動的環(huán)境下產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，以及移動臺附近的散射引起的多徑信號在接收端串?dāng)_，使得接收端信號變化加大。

2.1 時間選擇性衰落

我們知道，發(fā)送端和接收端的相對移動會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，發(fā)生多普勒效應(yīng)時接收端的信號頻率會發(fā)生變化，多普勒效應(yīng)會受到相對運(yùn)動速度影響，若發(fā)送端相對運(yùn)動方向與其發(fā)生信號傳播方向夾角為，則接收信號的頻移可用以下公式（2-1）表示：

（2-1）

其中為光速，顯然當(dāng)時，多普勒頻移達(dá)到最大，此時公式2-1可以寫成式子（2-2）：

（2-2）

在MIMO系統(tǒng)中，當(dāng)多普勒擴(kuò)展帶寬大于基帶信號帶寬時，信道出現(xiàn)時間選擇性衰落[4]。我們用信道相干時間來描述衰落與多普勒頻移的關(guān)系表達(dá)式（2-3）為：

（2-3）

定義為信號碼元周期，當(dāng)相干時間時，即在一個碼元周期信號會經(jīng)歷多次不同的衰落，此時信道會出現(xiàn)快衰落特性。

2.2 頻率選擇性衰落

大多數(shù)情況下多徑衰落受到碼元周期影響較大，我們可以在時域上通過碼元周期和最大多徑時延來分析多徑衰落：

若，即一個碼元周期內(nèi)信號不能被完全接收，導(dǎo)致相鄰碼元產(chǎn)生串?dāng)_，此時信道出現(xiàn)頻率選擇性衰落；

若，即一個碼元周期內(nèi)信號被完全接收，多徑帶來的影響被抵消，相鄰碼元沒有干擾，此時信道是頻率非選擇性衰落。

從頻域上分析這種衰落特性，若相干帶寬用表示，我們可以通過式子（2-4）來對相干帶寬進(jìn)行近似數(shù)量分析：

4 MIMO信道容量分析仿真

通過對MIMO-OFDM系統(tǒng)進(jìn)一步了解，并且對其信道信號進(jìn)行算法分析，通過MATLAB來對MIMO-OFDM系統(tǒng)中天線數(shù)量、信噪比以及信道容量參量進(jìn)行仿真分析。

在信噪比不斷增加的情況下，信道容量也同樣可以得到增大，在一定范圍內(nèi)，在不增加信號發(fā)射功率的情況下，增加天線數(shù)量可以將信道容量線性增大，通過MIMO信道將有效地提升信道容量。因此，MIMO信道技術(shù)可以緩解由于多普勒效應(yīng)或者多徑干擾對傳輸信號衰落的影響，提高整個系統(tǒng)傳輸過程中信噪比。

5 結(jié)語

移動通信的高速持續(xù)增長勢必加快無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用更需要長期不斷的努力。在頻譜資源日益匱乏的今天，MIMO作為未來無線通信關(guān)鍵核心技術(shù)，在頻譜資源利用率上有著巨大潛力，MIMO必將在未來移動通信中擁有更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]唐夲，張杰.基于MIMO的對流層散射通信信道損耗研究[J].計算機(jī)科學(xué)，2016（3）：15-17.

[2]楊中豪，王瓊.一種基于協(xié)方差矩陣的MU-MIMO干擾消除算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015（12）：79-81.

[3]周志波，周童，王進(jìn)祥.一種改進(jìn)的多用戶DCSK性能分析[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（36）：730-735.

[4]何維，唐彥楠，陳美鈴.MIMO-OFDM中稀疏度自適應(yīng)的信道估計方法[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（6）：712-715.