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MIMO信道类型,MIMO-OFDM系统那些事

01

什么是MIMO

发射端有多个天线,接收端有多个天线的信道称为多输入多输出(MIMO)信道,而SISO信道在发射端有一个天线,在接收端有一个天线。MIMO信道表示如图1所示。

MIMO系统的主要优点是通过分集获得更高的可靠性和通过空间复用获得更高的数据速率。这两个概念在MIMO系统中同时使用。

在分集系统中,相同的信息通过多个发射天线传输,并在多个接收天线上同时接收。衰落以来每一对传输和接收天线之间的联系被认为是独立的,相同的信息经过不同的路径,如果一条路很弱,信息通过其他路径的子载波可能是好的,因此,准确检测信息的概率增加。

在空分复用中,不同的信息可以在多个天线上同时传输,类似于OFDM信号的思想,从而提高系统吞吐量或信道容量。

图1 MIMO信道

02

MIMO信道类型

当基带信号带宽远小于信道的相干带宽时,信号经历平坦衰落;反之,当基带信号带宽很大,跨过了频谱的零点,则信号经历频率选择性衰落。① 频率平坦MIMO信道

假设hji是一复数,代表第i根发射天线和第j根接收天线之间的信道增益。在某一时刻,如果符号{s1,s2,...,sNT}由NT根天线发射,那么,在第j根天线接收到的信号可表示为:

于是,对于i=1,2,...,NT根发射天线,j=1,2,...,NR根接收天线,上式可用矩阵表示为:

或者可简洁地表示为:

衰落系数H是独立的(关于i和j)和同分布的(i.i.d)。接收机天线上的附加噪声是独立的(与η有关),并且是同分布的。假设信号受平均功率约束:

H矩阵包含了在时域中传输信号振幅和相位失真(畸变)的信道系数。信道矩阵H是在接收端和发送端不考虑信道信息的情况下盲目传输的。如果接收机将信道信息发回发射机,那么发射机就能够调整分配给天线的功率。这里涉及分配天线增益权重的问题,一种方案是采用codebook预编码矩阵,通过TPMI索引指示当前时隙应该采用哪些预编码矩阵。另外一种方案是non-codebook方案,跟踪当前信道环境,反馈CSI信息,通过奇异值分解(SVD),更新预编码矩阵,调整天线功率。

MIMO系统的一个有吸引力的优点是增加了天线分集,可以减轻平坦衰落的不利影响。在具有NT发射天线和NR接收天线的MIMO系统中,如果任意一对发射接收天线的信道独立且经历平坦衰落,则最大或全分集增益为NTNR。实现全分集的一种常见方法是通过空时分组码(STBC)编码。

② 频率选择性MIMIO信道

在MIMO系统中,任何发射接收链路独立受多径衰落影响,且信道脉冲响应用L可解析路径表征,全分集增益为NTNRL。在频选MIMO信道中,OFDM通常用于消除ISI(符号间干扰)和ICI(载波间干扰)。为了实现完全分集,在OFDM子信道、OFDM符号和发射天线之间使用编码。

③ MIMO-OFDM系统

在宽带无线系统中,MIMO信道受到频率选择性衰落或潜在多径衰落的严重影响。由于ISI的存在,这种衰落效应使ST码的设计变得复杂。为了克服这个问题,MIMO可以与OFDM系统相结合,称为MIMO-OFDM。MIMO和OFDM的结合有可能满足这一严格的要求,因为MIMO可以提高容量和分集增益,而OFDM可以减轻多径衰落带来的不利影响。MIMO-OFDM系统原理框图如图2所示。

图2 MIMO-OFDM系统

采用NT发射天线、NR接收天线、N个子载波OFDM符号的MIMO-OFDM系统原理框图如图2所示。输入的比特流首先通过使用BPSK、QPSK和QAM等调制技术映射成许多数据符号。然后,将一个数据符号块编码成大小为NT×NT的码字矩阵,以T个 OFDM符号的形式通过NT发射天线进行传输,每个符号有N个子信道。在每个OFDM符号上附加循环前缀(cyclic prefix,CP)后,这些符号将通过NT发射天线传输。接收到的信号经过MIMO信道后,首先发送到逆向向OFDM (去除CP, DFT/FFT变换),然后发送到解码器。如果接收端存在信道状态信息CSI (channel state information),则执行最优的ML检测。

对于MIMO系统而言,波束赋形、信道估计和信道均衡,依然是影响系统性能的重要因素。

未来大规模MIMO技术的发展,会不会把通信带入深渊?

对于业界的毫米波和太赫兹通信,覆盖距离成了软肋,高数据率又能如何?也许,通信行业就像一轮橘红色的夕阳,在西边方向,一点点下坠。

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