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1、MIMO原理(理解空時編碼)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：MIMO信道非MIMO系統(tǒng)用幾個頻率通過多個信道鏈接。MIMO信道具有多個鏈路，工作在相同的頻率。該技術(shù)的挑戰(zhàn)是所有信號路徑的分離和均衡。信道模型包括具有直接和間接信道分量的H矩陣。直接分量(例如h11)描述信道平坦度，而間接分量(例如h21)代表信道隔離。發(fā)送信號用s代表，接收信號用r代表。時間不變的窄帶信道定義為：了解H對于解碼來說是必
2、要的，并通過一個已知的訓(xùn)練序列估計。如果接收器將信道近似值發(fā)送到發(fā)送器，則可以用來進(jìn)行預(yù)編碼。預(yù)編碼能改善MIMO性能。香農(nóng)推出了下列公式，可以計算理論信道容量。它包括了傳輸帶寬fg和信噪比。大多數(shù)信道容量的改善都是基于帶寬擴展或者其他調(diào)制。這些因素并不能很大地提高頻譜效率。MIMO系統(tǒng)的香農(nóng)容量又決定于天線的數(shù)量。M是最小的MT(發(fā)送天線的數(shù)量)或MR(接收天線的數(shù)量)，表示空間信息流的數(shù)量。例如，一個2x3的系統(tǒng)只能支持兩個空間數(shù)據(jù)流，這個結(jié)果同樣適用于2x4的系統(tǒng)。對于MIMO，下面的公式給出容量的
3、計算方法：MIMO容量隨著天線的數(shù)量呈線性增加。不對稱的天線星座分布(例如1x2或2x1)被稱為接收或發(fā)送分集。在這些情況下容量(CTx/Rx)隨天線的數(shù)量呈對數(shù)形式的增長?？臻g復(fù)用通過一個以上的天線發(fā)送多組數(shù)據(jù)流稱為空間復(fù)用。有兩種類型必須考慮。第一種類型為V-BLAST（VerticalBell實驗室分層空間-時間），它發(fā)送空間未編碼的數(shù)據(jù)流，不需要考慮在接收器上對信號進(jìn)行均衡處理。第二種類型是通過空間-時間編碼實現(xiàn)的。與V-BLAST相比，空間時間編碼提供正交編碼方式，因此是獨立的數(shù)據(jù)流。V-BLA
4、ST方法不能分離數(shù)據(jù)流，因此會出現(xiàn)多個數(shù)據(jù)流的干擾(MSI)。這會使傳輸變得不穩(wěn)定，而前向錯誤編碼并不總是能解決這個問題?？臻g-時間編碼信號的檢測基于一種簡單的線性處理，并獲得合理的結(jié)果。空間復(fù)用的優(yōu)勢是，容量的增加與發(fā)送天線的數(shù)量線性相關(guān)?？臻g分集空間復(fù)用可以提供更高的容量，但是信號質(zhì)量并無改善?？臻g復(fù)用不僅沒有提高信號質(zhì)量，反而使信號質(zhì)量降低了?？臻g分集能改善信號質(zhì)量，并在接收端達(dá)到更高的信噪比。特別是在廣大的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，空間復(fù)用技術(shù)達(dá)到了自身的極限。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境越大，信號強度就必須越高。分集原理依賴于結(jié)構(gòu)
5、化冗余的傳輸。這種冗余可以在任何時間，從任何天線、通過任何頻率，或者以任何極化方式傳輸。而目前在MIMO技術(shù)中并沒有考慮后一種方法。必須考慮兩種空間分集：1.Tx分集，一個信號的副本從另外一個天線發(fā)送(例如2x1)；2.Rx分集，接收到的信號進(jìn)行多次評估(例如2x1)。第一種可以與單聲道和立體聲信號相比。如果是立體聲信號，人耳可以感受到更好的聲音效果。第二種分集類似于兩只耳朵，所聽到的效果比單只耳朵更好。
圖1：MIMO物理信道的空間-時間編解碼為利用Tx分集，可以采用所謂的Alamouti空間-時間編碼
6、(見圖3)。它可以獲得完全的分集，只使用一個接收天線。通過采用比發(fā)送天線更多的接收天線和一種合適的組合算法，可以使用Rx分集。交換組合或最大定量組合是兩個算法的例子。如果信道矩陣已知，這些算法與分集類型無關(guān)。用于空間分集的接收器算法見圖2。通過近場空間復(fù)用和遠(yuǎn)場空間分集，可以實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的最佳性能和覆蓋范圍。
圖2：圖2用于空間分集的接收器算法，A和B為相同的信號空間-時間編碼空間-時間編碼改善了性能，并使空間分集可以使用。信號的副本不僅從另外一個天線發(fā)送，而且在另外的時間發(fā)送。這種延時發(fā)送稱為延時分
7、集?？臻g-時間編碼結(jié)合了空間和時間信號副本，如圖3所示。
圖3：用于2個Tx天線空間-時間編碼的Alamouti空間-時間塊編碼信號s1和s2在兩個數(shù)據(jù)鏈中復(fù)用。之后，加入一個信號復(fù)制來產(chǎn)生Alamouti空間-時間塊編碼。空間-時間編碼可以用兩種不同的方法設(shè)計：1.空間-時間塊編碼(STBC)(2個發(fā)送天線=Alamouti編碼，見圖3)；2.終態(tài)狀態(tài)機(FSM)產(chǎn)生空間-時間Trellis編碼(STTC)。第一種編碼是獲得空間分集的最簡單方法，得到了廣泛的應(yīng)用。目前第二種編碼更復(fù)雜并且昂貴。對于超過兩
8、個天線的情況，圖4中列出了幾種偽Alamouti編碼。
圖4：用于超過兩個發(fā)送天線的復(fù)合Alamouti編碼圖4中的編碼指數(shù)首先與天線的數(shù)量有關(guān)，其次與空間數(shù)據(jù)流的數(shù)量相關(guān)。除了S42，這些編碼不能獲得完全分集，并且四個數(shù)據(jù)流只能通過空間復(fù)用實現(xiàn)，沒有任何空間分集。圖5中的編碼基于實際的空間-時間塊編碼設(shè)計，并產(chǎn)生具有完全空間復(fù)用的完全分集。
圖5：用于3個Tx天線的空間-時間塊編碼這種編碼的問題是碼率。碼率是所使用信號與傳輸
