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1、 摘 要 在有關無線通信系統(tǒng)的研究領域內普遍公認：無線通信的質量好壞會受到多種因素的共同作用，其中就包括信號的衰落效應。因此在具體的無線電通信的過程中必須利用多種技術手段來降低這種效應給通信質量所造成的損失，本文所涉及的分集技術就是其中的一種。在本論文內，有關分集技術的相關探討背景，分集技術的具體類別以及未來的可能技術演進走向都會得到充分的探討和剖析，其中包括相關技術在3G通信網(wǎng)絡，多天線分集和3GPP.LTE等多種領域中的實踐運用情況?？梢哉f因為分集技術的存在，無線通信系統(tǒng)運行中的多項瓶頸被突破，相關通信技術的更新過程也因此實現(xiàn)了飛躍。 所謂的MIMO技術，英文全稱為“Multipl

2、e-Input Multiple-Output”，一般指的是通過分別安裝在信號發(fā)出端和接收端的多更天線來實現(xiàn)基于發(fā)送接收兩端的多天線信號并行傳輸，以提升通信活動水準的相關技術。這一技術通過多根安裝在信號收發(fā)兩端的多根天線，在頻譜資源和天線功率不變的狀態(tài)下，可以基于對整個信號站空間的充分利用來實現(xiàn)通信信道容量的幾何級數(shù)增長。因此由于其巨大的優(yōu)越性而被公認為未來一代移動通信技術的絕對核心。 如果按照技術繼承的相關概念來說的話，我們已經(jīng)在4G的環(huán)境下對MIMO技術進行了足夠透徹的理論探索和實際應用，而且已經(jīng)取得了足夠成熟的技術積累和多方向的全面突破。但是在實踐過程中真正將4G環(huán)境和MIMO相關技術

3、加以結合應用進行信號傳輸?shù)奶炀€數(shù)量不會超過八個的規(guī)模，因此也不會有太多的4G通信容量會以MIMO技術為運行基礎。后來在針對從4G網(wǎng)絡上發(fā)展而來的5G網(wǎng)絡的相關探索過程中，行業(yè)界將大規(guī)模MIMO技術（Massive MIMO）首次擺上了臺面，如果按照大規(guī)模MIMO技術的標準，應用于5G環(huán)境的同技術天線將會達到百根乃至千根的規(guī)模，自然的也會產(chǎn)生理論上的無窮大的通信容量。 關鍵詞:分集技術 無線通信 多天線技術 Abstract In the wireless communication system, the fading effe

4、ct is one of the main factors affecting the quality of wireless communications; the diversity is an important means of the anti-fading technology in modern mobile communication technology. In this paper Diversity technology, the research background and the classification are introduced. The paper an

5、alyzes evolution and trends of the diversity, such as the application in 3G, multiple antenna diversity technique and its application in the 3GPP LTE. To wireless communication system，diversity technology not only solved the problem and promoted the rapid development . MIMO(Multiple-Input Multiple-

6、Output)Technology refers to the use of multiple transmitting antennas and receiving antennas at the transmitter and receiver, so that the signal can be transmitted and received by multiple antennas at the transmitter and receiver, thus improving the communication quality. It can make full use of spa

7、ce resources, through multiple antennas to achieve multiple charge, without any increase in spectrum and antenna transmission power, can exponentially increase the channel capacity, shows obvious advantages, is regarded as the core of the next generation of mobile communication technology. From the

8、 perspective of technical inheritance, MIMO technology has sufficient study in 4 g communication and implementation, the technology is mature, but in 4g communications, MIMO antenna number is less, more for four or eight, antenna fewer limits the 4g network communication capacity. On the basis of 4G

9、 research, 5G has proposed the concept of massive MIMO (massive MIMO). The number of MIMO antennas can be hundreds of thousands, while the theoretical communication capacity is infinite. Key Words:diversity technique Wireless communication Multi-antenna technology 目 錄 摘 要 I Abstract II

10、 引 言 1 1 分集技術 2 1.1 分集原理 2 1.1.1 分集方式 2 1.1.2 分集接收技術 3 1.2 RAKE接收機 4 1.2.1 RAKE接收機的原理 4 1.2.2 RAKE接收機在DS-CDMA中的性能 4 2 發(fā)射分集技術在3G中的應用 7 2.1 研究背景及意義 7 2.2 發(fā)射分集技術分類 7 2.3 3G中的開環(huán)發(fā)射分集 7 3 MIMO技術 11 3.1 MIMO技術的發(fā)展現(xiàn)狀 11 3.2 MIMO技術原理 11 3.3 MIMO技術的優(yōu)勢 12 3.4 MIMO信道模型及信道容量分析 13

11、 3.4.1 MIMO系統(tǒng)模型 13 3.4.2 MIMO信道模型 13 3.4.3 MIMO信道容量分析 14 4 無線通信中的協(xié)同技術 15 4.1 協(xié)同分集技術 15 4.2 協(xié)同多點傳輸/接收技術 15 4.2.1 協(xié)同與中繼的區(qū)別 16 4.2.2 協(xié)同分集中的信號處理方式 16 5 3GPPLTE標準MIMO技術 20 5.1 引言 20 5.2 LTE MIMO分集與空間復用 21 5.2.1 LTE MIMO分集 21 5.2.2 空間復用 23 5.3 SU-MIMO與MU-MIMO 23 5.3.1 下行SU

12、（單用戶）- MIMO 23 5.3.2 下行MU（多用戶）-MIMO 24 5.3.3上行MU（多用戶）- MIMO 24 總 結 26 致 謝 20 參考文獻 21 2 引 言 在無線通信信號的傳輸過程中，具體的信號可以以反射，散射或者直傳等多種路徑實現(xiàn)從發(fā)射端到接收端的并行傳輸，但是因為疊加作用，這些并行傳輸?shù)男盘枙驗橄嗷ブg的干擾而產(chǎn)生衰落現(xiàn)象，如果衰落現(xiàn)象較為嚴重，也就是快衰落的情況下，信號可以產(chǎn)生深達40dB甚至80dB的衰落。這樣就會讓整個通信活動的質量水準大打折扣，例如會讓數(shù)字信號產(chǎn)生過高的錯誤碼率等等。雖然對于衰落現(xiàn)象帶來的通信質量水準變

13、差可以通過對發(fā)射端功率的加強來予以彌補，但同時也會帶來過高的投入成本和過高的跨站擾動，所以從實踐角度來看這樣的方式根本不具備實際利用價值。因此，在對抗信號衰落現(xiàn)象的問題上，主要的技術手段依然是信道編碼，信號平衡，頻率擴充以及分集等。從實際效果來看，分集控制對于信號衰落的規(guī)避最庸是最強的。所謂的分集，其實就是在衰落現(xiàn)象較為明顯的單獨傳輸信道上不斷重復傳輸完全相同的信號，這樣基于較小的同時刻同信道的信號衰落率，按照一定規(guī)格合并發(fā)出的信號在接收端的衰落幅度就會降低，讓通信傳輸更為可靠。這一保障技術的應用提升了無線通信技術的發(fā)展速度。而且這一技術對于無線通信信號多信道衰落的有效規(guī)避作用已經(jīng)被若干次研究

14、所證實。 28 1 分集技術 1.1 分集原理 1.1.1 分集方式 分集技術的類別主要包含宏觀和圍觀兩個比較大的類型。 所謂宏觀分集也可以被成為多基站分集，其主要作用就是起到對緩慢信號衰落的規(guī)避作用。例如，在架設移動通信基站網(wǎng)絡的過程中，基站的具體物理位置都各不相同，例如小蜂窩區(qū)域的相對兩角連線上，這些基站所發(fā)送的信號完全一致。其中將信號傳輸效率最高的基站作為小區(qū)內部的移動通信總臺，由此規(guī)避地形地貌以及空氣環(huán)境造成的信號慢衰落現(xiàn)象。 所謂的微觀分集，其主要作用于對快速衰落現(xiàn)象的規(guī)避上。基于前面的大量理論研究和實際應用

15、表明，如果信號在時空和頻率角度上都產(chǎn)生了一定的分離那么必然產(chǎn)生具備單獨狀態(tài)的衰落，按照不同的分離角度可以將微觀分集劃分為以下幾類： (1) 時間分集 所謂時間分集，其實就是把同樣的通信信號按照一定的時間區(qū)段反復發(fā)送，只要保證有足夠的信號傳輸間隙，那么就可以保證單次傳輸衰落時間的獨立計算過程。而對這些彼此獨立的衰落現(xiàn)象及其特性的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的使用過程就是所謂的時間分集，換句話來說，時間分集主要是基于不同的時間統(tǒng)計差異來實現(xiàn)對事件選擇性衰落的規(guī)避。 與空間分集相比，時間分集可以實現(xiàn)對接收端天線和其他硬件配置的節(jié)約化，但是也因為過大的時間占有率而降低了成本投入以及傳輸效率的優(yōu)化成都，而且這樣的方

16、式無法作用于處于相對靜止的移動通信臺的。 (2) 頻率分集 所謂的頻率分集，其實就是讓具備相同微波頻率范圍的兩個以上微波頻率在同一時間內同時實現(xiàn)對同一通信信號的傳輸，然后再對這些信號進行遴選或者合成的過程，通過基于不同頻率的信號的相互獨立的衰落信道特征進行特性的統(tǒng)計，通過對這些衰落特性的統(tǒng)計來規(guī)避信號衰落的過程，在具體的操作過程中，發(fā)送出去的信號可以在調諧之后同時在相互獨立的不同頻率載波上進行輸送。 和空間分集一樣，頻率分集同樣實現(xiàn)了對接收端天線和其他硬件配置的節(jié)約化，但是會占用過多的帶寬資源，因此這樣的分集模式也被稱為帶內分集，在某些情況下，可能需要在發(fā)射端追加更多的發(fā)射機安裝配置。

17、 (3) 空間分集 一般的空間分集系統(tǒng)存在兩種類型，發(fā)送端的空間分集和接收端的空間分集。所謂接收端的空間分集是指通過處于不同離地高度的天線端實現(xiàn)對單個天線發(fā)射的微波信號的同步接收，然后基于這些信號進行強力信號的合成與遴選。這樣的接收方式可以最大限度地提升對信號衰落現(xiàn)象的規(guī)避和整個傳輸過程的可靠性。雖然可以提升足夠的分集增益，但這就需要在接收端追加安裝獨立的天線。 1.1.2 分集接收技術 所謂的分集技術，其實就是對通過多路徑的信號傳輸能量來實現(xiàn)傳輸可靠度提升的相關技術研究活動，這其實最為基本的信號利用研究參數(shù)的一類，在時空和頻率象限內如何傳輸信號的分散和聚集是這一技術的研究重點。這里

18、的分散和聚集是其實是完全矛盾的兩個概念，但是分散后互不干擾的多條支路信號在到達接收端以后可以通過合并技術來產(chǎn)生分集增益。合并時采用的準則與方式主要分為四種：最大比值合并（MRC: Maximal Ratio Combining）、等增益合并(EGC: Equal Gain Combining)、選擇式合并(SC: Selection Combining)。假設個輸入信號電壓為，，…，，則合并器輸出電壓為： （2-1） （1）等增益合并 所謂的等增益合并（EGC），或者叫相位均衡，指的是針對發(fā)生在信道內的相位偏移狀態(tài)的扶正只針對相位

19、偏移本身而不包括其幅度，而將每一條分支傳輸?shù)男盘柕仍鲆嫦嗉拥倪^程就是所謂的等增益合并，也就是上面等式中的加權系數(shù)。這樣的增益合并模式的最優(yōu)性并不存在一任何狀態(tài)下，而只滿足具備同等信噪比的多路信號存在并且其達到最大的信噪狀態(tài)。這樣的合并輸出得到的結果只是單純各條傳輸信號幅度值之和。在CDMA的環(huán)境狀態(tài)下，這樣的等增益合并對于以每個信號傳輸通道存在的衰落差異為代表的正交性用戶信號形態(tài)采取了認可和維護的處理方式，而且也不會對通信系統(tǒng)信噪比變化產(chǎn)生任何影響。因此這樣的模式適用于系統(tǒng)接收信號幅度難以被準確測量的狀況。 （2）最大比值合并（MRC） 在接收端，有多個分集分支，相位調整后，根據(jù)適當?shù)脑鲆?/p>

20、因數(shù)同相增加它們，并送到信號的接收端同時存在著若干個支線分集，在調諧相位的過程中也要按照相應的增益因數(shù)來進行比對相加，同時要通過檢測器的測試。與接收端無關的支線分集在校正其相位時可以基于一定的可變收益幅度進行加權增減，然后將可變的檢測器測試收益進行合并。所謂最大比合并，指的是如果接收端有N個直線分集存在，那么加權系數(shù)的大小和支線分集的信號強弱之間呈正相關。 與選擇式合并不同，在最大比值合并的狀態(tài)下，需要疊加的信號必須滿足兩兩對比呈現(xiàn)同相狀態(tài)，因此單個的接收天線都擁有著獨立的接收設備和相位調諧電路。所有信道的SNR相加之和就是整個輸出端口的SNR最大比例輸出。這樣一來，不管單個信道傳送的信號強

21、度有多差，甚至已經(jīng)無法獨立分解出任何單個信號的狀態(tài)下，最大比值合并狀態(tài)下的SNR信號仍然可以通過系統(tǒng)合成并被解調為符合要求的信號。因此，在目前已經(jīng)被投入具體應用的所有線性分集合并模式中，最大比值合并被公認具備最好的抗衰落性質。在現(xiàn)在不斷發(fā)展的DSP和數(shù)字接收技術之中已經(jīng)逐漸將這一技術手段加以普及。 （3）選擇式合并 在該技術條件下，選擇性邏輯是N個信號輸出接收設備被送入的內容，根據(jù)這一邏輯，從這若干個接收信號之中選擇具備基帶信噪比峰值的信號作為輸出信號。也就是說選擇式分集輸出信噪比在新增一條支線分集的狀態(tài)下所做出的貢獻為總體分集支線的倒數(shù)倍。但這只是理論上的狀態(tài)，因為信噪比在現(xiàn)實情況下的難

22、以測定性，所以更多時候是將的值作為參照系的。 目前，在模擬無線通信系統(tǒng)內部，分集接受技術已經(jīng)獲得了全面的應用，而且其應用范圍已經(jīng)延伸到了數(shù)字無線通信領域?，F(xiàn)行的GSM基站為了提高運行效率都基本上采用了雙重空間分集接收系統(tǒng)，而CDMA移動電話及其相關基站在進行分集接收的時候一般用的都是RAKE多路徑接收設備來規(guī)避信號衰落。 1.2 RAKE接收機 1.2.1 RAKE接收機的原理 采用擴頻技術后的CDMA移動通信系統(tǒng)會擁有較大的信號貸款，如果這個帶寬和相干帶寬之差為正數(shù)時，則為通過無線信道傳輸?shù)男盘枙獾竭x擇性頻率衰落的干擾進而觸發(fā)多路徑傳輸延時，在這些多路徑傳輸?shù)男盘柈斨斜厝淮?/p>

23、在著達到利用標準的信號，但是傳統(tǒng)的接收模式必然會拉低具備使用價值的信號的丟失信噪比。因此就必須通過更為復雜的接收設備（RAKE receiver）通過對所有路徑的信號的接收來提高這一比值，以求規(guī)避多路徑傳輸干擾和提高接收效率并規(guī)避通信過程中的多路徑衰落。 所謂的RAKE，其實就是一種多路徑的分集信號接收手段，該技術將多路徑傳輸?shù)男盘栐诘谝粫r間進行高精度甄別并對信號進行獨立的加權處理以增強信號特質。其基本原理為：接收設備將幅度和噪聲之間的比值極高的多路徑信號分量加以取出并進行延遲和相位調教，在一定的時間點內進行校正，然后按照諸如最大比例組合這樣的規(guī)則進行信號合并?；诖鷶?shù)和狀態(tài)為準組合可變向量

24、，以求提高信號的抗干擾和抗衰落的能力。 1.2.2 RAKE接收機在DS-CDMA中的性能 RAKE接收設備就可以在多個衰落信道路徑上進行信號能量合成。輸出端的SNR按照最大比值合并理論即為支線SNR的和，但這需要假定在信道內部只存在正交編碼的高斯白噪聲。 通過文獻參照，我們對基于DS-CDMA系統(tǒng)環(huán)境下的RAKE設備性能進行了模仿，以下為模仿的流程： A：將隨機生成的15位比特數(shù)分配給每個用戶。 B：單用戶各擁有一個PN生成序列。 C：將AWGN噪聲加入信道，并基于時間延遲模式產(chǎn)生多個衰減模式的多路徑信道。 圖1.1 RAKE接收機的實現(xiàn)

25、框圖 本設計中的RAKE接收設備為圖2.1所示，這里面的分別代表了L個信號接收終端，基于與發(fā)送端相等的PN序列產(chǎn)生的多個差異性合并因子通過相關器發(fā)送至加法器進行合并發(fā)射。單個多路徑輸送信號的延時和衰減因子，均有不同，在接收端，衰減因子的再次獲取可以通過相關器Correlator來完成?；趯难訒r和衰減可以對RAKE接收設備的接收端信道路徑的大概規(guī)模進行估算。當延時和衰減系數(shù)被估算出來以后，首個用戶的數(shù)據(jù)可以通過與發(fā)送端相等的PN序列來進行估算，然后通過最大比值合并原理MRC將多個路徑的傳輸信號加以合并成為具備新序列的信號。 我們在實驗中采用的是具有10毫秒傳輸間斷的瑞利信道，且信道

26、和用戶之間的數(shù)量相匹配，單個路徑的延遲時長為10毫秒的整數(shù)倍且不具備一樣的衰減模式，但是信號在發(fā)射端處會按照設計通過BPSK編碼進行發(fā)送，雖然具體信道的信息不會被接收設備所感知，但是接收設備對于信道的傳輸延時和衰減依然可以基于PN序列來進行估算。 假設最大的時延，路徑數(shù)目。 實驗結果如圖1.2所示。由此可知在加裝RAKE接收設備以后，信號傳輸過程中的誤比特率明顯降低，信號接收質量有了顯著提升。 圖1.2 有RAKE接收機和無RAKE接收機的BER2 發(fā)射分集技術在3G中的應用 2.1 研究背景及意義 在無線電通信過程中，信道衰落的狀況一般都通過天線分集的模式進行規(guī)避。

27、以往的天線分集只是在以移動塔臺為主的接收端口架設多個用于分集接收的天線，并且通過一定技術手段來提升信號接收質量標準。但是，同等強度信號的接收會因為移動塔臺的規(guī)模限制而難以滿足，而且加裝設備會帶來過高的投入，所以，傳輸分集技術就在基站端被大量應用了。 所謂的發(fā)射分集，是指通過多根發(fā)送天線將信號同時予以發(fā)送，并且這些信號的衰落狀態(tài)在不同的信道中有著不同的表現(xiàn)，接收端將會把這些信號加以組合以降低衰落帶來的影響。相比于移動塔臺，通信基站有著更大的空間和更少的接受限制。所以基站內部存在根天線，并且專門有一根用于接收的天線。這樣一來發(fā)射分集的建設投入要遠遠低于接收分集，而且若干個移動基站的發(fā)射增益會因為

28、相同的發(fā)射信號而同步獲得（也就是一點對多點的輸送模式）。而在以前，信號分集發(fā)射增益只能被一個移動接收塔臺所獲得。 2.2 發(fā)射分集技術分類 有多種類型的發(fā)射分集。根據(jù)是否需要反饋，將其分為前饋分集和反饋分集。它通常也被稱為開環(huán)發(fā)射分集和閉環(huán)發(fā)射分集。 開環(huán)發(fā)射分集又分為空時發(fā)射分集、延遲分集、時間轉換發(fā)射分集、相移發(fā)射分集、相位結合發(fā)射分集、正交發(fā)射分集、極化分集。 閉環(huán)發(fā)射分集為選擇發(fā)射分集、Pre-Rake分集、發(fā)射自適應陣列等。 2.3 3G中的開環(huán)發(fā)射分集 在第三代移動通信系統(tǒng)中，開環(huán)發(fā)射分集通過先期架設的多天線分集模式來實現(xiàn)不存在另外信道成本的接受增益，而且這樣可以

29、降低移動基站的復雜化。但是信道內的信號會因此而產(chǎn)生一定數(shù)量的浪費。 （1）時間轉換發(fā)射分集 該分集狀態(tài)的具體形式，是在兩根天線之間通過恒定的幀轉換速度來實現(xiàn)用戶傳輸信號的傳送和切換，也就是基于時間間隔來切換天線，時間間隔長短和傳送用天線之間存在有限的一一對應關系。比如說，1好天線負責傳輸間隔為奇數(shù)的信號，2號天線負責傳輸間隔為偶數(shù)的信號，也就是如下圖2.1。  圖2.1 時間轉換發(fā)射分集 （2）正交發(fā)射分集 圖2.2 正交發(fā)射分集 和是正交的長度為128 的Walsh 碼(每個碼元重復兩次) ，、是信道復乘性系數(shù)。編碼比特b[n]被分成兩路，令xo和xe分別

30、表示奇、偶碼元，則 天線發(fā)射信號為： 移動臺接收到的信號為： 再使用同樣的Walsh碼對兩路信號進行解擴并將其合并后就可恢復出原來的碼元，如圖3.2。 （3）空時發(fā)射分集 空時編碼(space time coding) 這是克服基于發(fā)射分集的無線信道信號衰落的重要方法之一?？諘r碼通過有效地將不同的符號分配給不同的天線并在天線之間增加某種時間冗余來實現(xiàn)前向糾錯?？臻g時間碼可以分為兩組：分組空時碼和空時格碼。無論哪種方式，L個發(fā)射天線的發(fā)射信號可以用一個編碼矩陣來表示: 圖2.3 空時編碼 列表示天線，每行則對應于調制碼元

31、出現(xiàn)時刻，為第i 根天線在第n時刻發(fā)射的碼元。一個編碼矩陣從第k個碼元開始，結束于( k+l-1) ，共有l(wèi)個碼元周期，這里l是有意義的碼元周期數(shù)。 STTD則是基于空時編碼的開環(huán)發(fā)射分集。由于能夠獲得最大的分集增益，這種類型的開環(huán)發(fā)射分集已經(jīng)被3GPP 采用，如圖2.4。 圖2.4 STTD發(fā)射機 xo和xe 分別為奇偶碼元，則兩根天線上，如圖2.4。 發(fā)射信號為： (2-1) (2-2) 接收碼元：

32、 (2-3) 發(fā)射信號估計為： (2-4) （4）空時擴頻( STS) space-time spreading碼元采用多個Walsh碼擴頻，與STTD 方式類似[12]。 發(fā)射碼元表示為 (2-5) (2-6) 恢復的數(shù)據(jù)流為 (2-7)

33、 (2-8) 將級聯(lián)輸入解調器進行解調。STS和STTD優(yōu)于OTD的優(yōu)點是所有的編碼比特都是在所有天線上傳輸?shù)?，所以在解碼過程之前也有通過重復編碼獲得的時間分集。3 MIMO技術 3.1 MIMO技術的發(fā)展現(xiàn)狀 頻譜資源短缺的現(xiàn)實，現(xiàn)在已經(jīng)成為了擋在不斷飛躍發(fā)展的無線通信技術面前的一條攔路虎。因此通信行業(yè)的普遍關注焦點已經(jīng)轉移到了對有限頻譜資源的高效充分利用的問題上。通過之前的探索成果可知，基站的空間資源可以被多天線技術加以充分利用，而且可以在維持現(xiàn)有系統(tǒng)帶寬和發(fā)射功率的情況下實現(xiàn)對無線信道衰落的有效規(guī)避，讓信道容量和系統(tǒng)頻譜使用效率得到足夠的提升。因此已經(jīng)具備了成為新一代B

34、eyond 3G/4G無線通信系統(tǒng)關鍵技術的人前置。MIMO多傳輸路徑系統(tǒng)是無線通信技術最近實現(xiàn)巨大飛躍的標志，因為其在信號收發(fā)兩端都安置了多根天線，因此也被冠以多天線技術的名字。也算是一種多樣性技術的派生產(chǎn)品。全球學界對MIMO的理論，運算模式以及實際應用性能都有著很廣泛的探討，這一技術也成為了無線通信技術的發(fā)展新亮點。 從歷史上來看，多天線技術對抗通信衰落的最早使用者是1908年的馬可尼。到了上世紀70年代，基于軍方需求的數(shù)字信號處理技術實現(xiàn)了高速發(fā)展，這也讓基于自適應信號處理技術的陣列化天線研究有了更大的實現(xiàn)可能，從而讓通信的分集特性和抗干擾特性有了更好地提升。到了上世紀90年代初的時

35、候，越來越多的人發(fā)現(xiàn)無線信道容量可以通過加裝多根天線的模式來實現(xiàn)。因此Paul和Kaiath在1994年指出：無線信道的容量可以通過在信號收發(fā)兩端的設備上加裝多根天線的模式來實現(xiàn)。在兩年后，Roy和Ottersten又提出了對多個用戶的同信道信號傳輸支持可以通過基站內的多根天線來加以實現(xiàn)。此后貝爾實驗室也在這里領域取得了許多重大的研究成果，多天線因此實現(xiàn)了巨大的飛躍，并引爆了全新的無線通信技術革命。在MIMO領域，F(xiàn)oshinia將D-BLAST時空分層算法推上了臺面。這一算法下，原來的信號數(shù)據(jù)會被分為若干個可以被獨立編碼調諧的數(shù)據(jù)流，這樣就可以實現(xiàn)最少40 bps / Hz的頻譜利用率。然而

36、這樣的編碼傳輸模式只適合帶寬較窄的室內內網(wǎng)，并不能對戶外移動網(wǎng)絡產(chǎn)生作用。在1998年和2003年，Tarokh推出的空時編碼技術以及Airgo Networks推出的全球首款MIMO技術集成AGN100 Wifi芯片都有著很重要的意義，AGN100內存在著108Mbps的信道寬度，發(fā)展到第三代的True MIMO芯片時，信道寬度已經(jīng)達到了240Mbps。最近一些年，將OFDM和空時編碼技術相融合MIMO理念又被Agrawal等人擺上了臺面。 3.2 MIMO技術原理 通過MIMO技術，空間內部的復用和分集傳輸增益都可以被系統(tǒng)所獲得，傳輸過程中遭遇到物體反射散射的信號會分化出多條傳輸路徑

37、，而MIMO技術就是將這些傳輸路徑轉變?yōu)樘摂M化的信息子流信道。這樣就可以通過單根或多根天線在接收端實現(xiàn)信號接收。單根天線接收到的信號都都是發(fā)射信號和干擾信號之和。通過MIMO空時解碼技術內部的數(shù)學模式恢復信號糾纏，并實現(xiàn)對信號的傳送和準確判別。 圖3.1 MIMO系統(tǒng)原理圖 空時編碼程序處理后的信號會分化為M（k）個子信息流，這些信息子流和發(fā)射他們的天線根數(shù)之間呈對應關系，空間信道接收端的天線根數(shù)也和這些子流數(shù)量呈對應關系?；诳諘r信號處理模式的多根天線接收裝備可以對這些數(shù)據(jù)子流進行進行分化解碼，以提高接收過程的容量。MIMO信道和收發(fā)天線之間一一對應，并以此形成信道矩陣H，在單個

38、時間段t內的信道矩陣為： (3-1) 其中H的元素是任意一對收發(fā)天線之間的增益。 3.3 MIMO技術的優(yōu)勢 巨大的優(yōu)勢是MIMO系統(tǒng)高速飛躍的主要原因。 MIMO系統(tǒng)通過多路徑傳送效應來對抗瑞利衰落。通信質量好壞一般都由多路徑衰落來決定，這也是根本回避的問題。雖然MIMO難以實現(xiàn)對多路徑信號的消除，但可以通過多路徑的空間傳播向量來實現(xiàn)對整個信號收發(fā)過程的優(yōu)化。換句話說，如果系統(tǒng)判定兩個信號沒有關聯(lián)，那么MIMO就可以實現(xiàn)多路徑的空間信號分級接收。 MIMO可以實現(xiàn)對頻率的更高效利用，在MIMO環(huán)

39、境下，信號子流的傳輸可以通過不斷加裝天線來完成。若干個信號子流在通道內實現(xiàn)同步傳輸，并且頻率帶被所有的信號所占據(jù)，這樣就可以在加寬頻帶的情況下提高頻譜的利用效率。 更高的數(shù)據(jù)吞吐能力，在MIMO環(huán)境下，多根收發(fā)天線在一個頻道帶內產(chǎn)生多個并聯(lián)的空間信道，信號的傳輸由互相獨立的多個子信道完成。因此只要有著恒定的信號發(fā)射功率和貸款，則系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力和最小的天線數(shù)量之間呈現(xiàn)正相關關系。 信號覆蓋面更廣。在MIMO環(huán)境下，反射器創(chuàng)造的發(fā)射，折射或者散射等各類波形都可以成為組成信號的部分，讓單個子流以及接收天線的覆蓋范圍都能提高，無線信號可以因此擴展到單個發(fā)射設備無法達到的信號覆蓋區(qū)域。比如信號盲

40、區(qū)，這樣就可以規(guī)避信號盲區(qū)。 此外，MIMO技術還有很強的抗干擾能力。 3.4 MIMO信道模型及信道容量分析 3.4.1 MIMO系統(tǒng)模型 MIMO即多發(fā)射天線多接收天線技術，NT副發(fā)射天線，NR副接收天線，系統(tǒng)模型圖如下： 圖3.2 MIMO系統(tǒng)模型 MIMO系統(tǒng)輸入輸出關系可以寫為： (3-2) 3.4.2 MIMO信道模型 無線通信系統(tǒng)的傳輸性能決定于無線信道的能力規(guī)模。無線通信系統(tǒng)內部的信號收發(fā)設備之間的傳播路徑十分繁雜，而且有著很強的時間隨機性，難以進

41、行剖析。不同的參考文獻對于MIMO信道也有這不同的模型分類，在簡要的歸納總結以后可以的到下面幾個大類： (1) 寬帶模型和窄帶模型 按照系統(tǒng)的傳輸帶寬可以將MIMO信道模型劃分為寬帶和窄帶兩種，一般情況下的MIMO信號檢測模型都屬于窄帶模型，但是寬帶模型和窄帶模型之間可以通過OFDM技術手段實現(xiàn)轉化。一般情況下，寬帶MIMO模型會被基于多路徑參數(shù)添加引發(fā)的功率遲滯所影響，因此建模多基于窄帶模型。 (2) 確定性模型和隨機性模型 所謂確定性模型主要用于對固定傳播環(huán)境的精準說明。對于確定性的信道特質選取方法主要有射線跟蹤和信道脈沖響應記錄兩種。而所謂隨機性模型則將信道及其流程加以隨機看待并

42、通過隨機性較高的建模來反應MIMO的統(tǒng)計性質。這樣的模型有幾何式模型，參數(shù)式模型和相關式模型三種。 (3) 場測量模型和散射體模型 通過對測量數(shù)據(jù)的檢查和對相似信道建模作為依據(jù)是MIMO信道的特質。而且可以在這一模型環(huán)境下架設信道特性被信號散射特性盡可能地匹配。 (4) 非物理模型和物理模型 這一模型的依據(jù)是非物理化的信道統(tǒng)計性質。這樣的模型通常更加便于仿真，也可以為仿真的通信過程提供信道性質的支持。但是該模型對于MIMO傳播性質的信道反射過程有著很大的局限性，也就是要決定于測量儀器。還有一種模型就是基于信道物理特性的模型。這樣的模型在通常運用時都會將一些MIMO信道內部的重要參數(shù)（到

43、達和離開角度以及到達時間）作為信道說明的依據(jù)。 MIMO技術中的各類信道模型，其應用范圍和建模優(yōu)先成都各不相同，也有這不同的產(chǎn)生和運用方式，因此難以做到絕對的準確分類。接下來就是對每一個分類的模型闡述。按照模型建立過程中是否存在物理意義與否可以被分為物理化模型和非物理化模型兩類。 3.4.3 MIMO信道容量分析 全球化的無線通信容量需求隨著蜂窩通信，互聯(lián)網(wǎng)絡和新媒體的不斷演進而日益激增。以往的通信系統(tǒng)在收發(fā)兩端都只有單獨的天線，也就是所謂的SISO單傳輸天線系統(tǒng)。不管是通過調制解調，編碼策略或者其他模式，都無法避免無線通信受到的基于無線信道帶來的物理限制。這樣的狀態(tài)在現(xiàn)在的無線通信

44、市場環(huán)境內尤為突出。所以不斷增大無線通信系統(tǒng)的容量是與不斷緊迫化的客戶無線通信速度需求相匹配的。按照之前得出的信息理論，要想提升無線通信的容量和系統(tǒng)性能就必須將多途徑傳輸技術應用在無線通信系統(tǒng)之中。 信道的衰落系數(shù)在實際的無線衰落環(huán)境下不再恒定，這是因為多路徑和時間變化等多重效應所決定的，這個系數(shù)將會變成一個隨機變量，系統(tǒng)容量也因此變?yōu)殡S機變量。Foschini和Gans從信息論的角度導出了MIMO系統(tǒng)在衰落環(huán)境中的信道容量： （3-3） 表示接收信號信噪比；IN表示階單位矩陣，；H為信道矩陣；de

45、t(.)表示矩陣行列式。接收與發(fā)射天線數(shù)目分別為NR 、NT，H為NR×NT階信道響應矩陣。 4 無線通信中的協(xié)同技術 4.1 協(xié)同分集技術 所謂的協(xié)作其實就是一種產(chǎn)生于客戶之間的無線通信模式，更嚴格點說，協(xié)作分集模式應該劃入空域分集的范疇，但是又和通常的多天線空域分集之間又有區(qū)別。 圖4.1 蜂窩小區(qū)兩用戶協(xié)同場景 按照圖4.1所展示的兩個用戶的協(xié)同場景中兩個用戶實現(xiàn)以基站為目標的數(shù)據(jù)傳輸過程。首先，用戶按照某種模式獲得對方的傳輸信息，然后將這個信息通過自身信道實現(xiàn)以基站為目標的傳輸，這樣，相同的信息到基站的傳輸過程就可以通過兩個獨立的信道完成以實現(xiàn)分集。 4.2 協(xié)

46、同多點傳輸/接收技術 通常通過兩個步驟來完成協(xié)作傳輸：首先，廣播模式為1號用戶的主要信號發(fā)送模式（實線）。2號用戶和通信基站受到信號，2號用戶處理信號。這時候的2號用戶起到的是1號用戶中繼臺的角色。接下來，2好用戶將處理完畢的信號傳輸?shù)交荆ㄌ摼€）。而1號用戶在同一時間既可以反復發(fā)送同一信號到基站也可以將新信號發(fā)送到基站。最后，基站將兩條通過獨立衰落途徑傳來的信號進行合并。在2號用戶主動發(fā)送信息的時候，1號用戶也可以充當中繼臺。 圖5.2 協(xié)同傳輸過程 4.2.1 協(xié)同與中繼的區(qū)別 雖然協(xié)作通信技術是中級信道的衍生物，但其與中繼信道之間有著很多的差異。第一，協(xié)作信道技

47、術主要是處于規(guī)避多路徑衰落的目的而在衰落信道中使用，而中繼信道的使用對象則是AWGN頻道。第二，中繼信道中的中繼站點存在的目的只是為了輔助信號發(fā)射點傳送信息，而且協(xié)作通信過程中系統(tǒng)仰仗的固定的資源，每一個用戶都既可以成為幫助信號發(fā)送點發(fā)送信號的中繼站點，可都可以成為信號的發(fā)送站點。這也就決定了協(xié)同通信技術的不同側重?；净膮f(xié)同通信技術理念為：基于多個用戶的無線環(huán)境內部的相鄰單天線用戶可以按照一定模式對彼此的協(xié)同天線傳輸活動予以共享，因此就可以通過虛擬化的多天線傳輸環(huán)境來提升信號傳輸質量，這樣的傳輸模式將分集和中繼兩種傳輸技術的優(yōu)勢融為一體，構成了分布式的擬態(tài)MIMO系統(tǒng)，從而規(guī)避了距離之類局

48、限，在傳統(tǒng)化的通信網(wǎng)絡內部，無需增加天線數(shù)量就可以與傳輸增益類似的多天線和多層級信號輸送。之所以被稱為MIMO，是因為存在于協(xié)作通信系統(tǒng)內的每一個中繼點都可以本身就是一個虛構的天線陣列，節(jié)點之間實現(xiàn)協(xié)同信息交換，以實現(xiàn)一般MIMO環(huán)境的擬態(tài)化存在和聯(lián)合空時編碼傳輸方案的實現(xiàn)。而且目標節(jié)點可以同時實現(xiàn)對信號原點發(fā)出信號以及中繼節(jié)點信號的通不接手機。并對這些信號進行基于無線傳輸及信號本身質量的相應處理，以此實現(xiàn)對分集增益和數(shù)據(jù)傳輸速度的提升。 4.2.2 協(xié)同分集中的信號處理方式 協(xié)同分集中的信號處理方式有非自適應和自適應兩種[。 (1)非自適應：放大前傳(Amplify-and-Forw

49、ard，AF)，如圖4.3，解碼前傳(Decode-and-Forward，DF) ，如圖4.4。 (2)自適應：根據(jù)信道狀態(tài)自動調整發(fā)送數(shù)據(jù) 圖4.3 放大前傳 網(wǎng)絡內的每一個用戶都可以接受合作方發(fā)出的包含信道噪聲在內的信號，并且在將信號放大后加以送出?；緯蓚€用戶傳來的信號加以接受以后做出決策。雖然信號放大的同時也擴大了噪聲規(guī)模，。但是基站收到的仍然是兩個通過獨立衰落信道發(fā)來的信號，因此接收性能大大提高。 前置化的信號協(xié)作放大模式被Lanelnan等學者在針對未預測編碼的放大誤碼率的運算之后加以剔除，而且他們通過研究證明，雖然協(xié)作者將噪聲和信號都進行了方法傳輸，但是和非協(xié)

50、作式的方法相比，這樣的方法模式仍然有著很高的性能效益。 所謂的解碼前傳，指協(xié)作方將協(xié)作伙伴傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行檢測和接受解碼，并且將符號的估計運算結果加以前傳的過程。 圖4.4 解碼前傳 DF狀態(tài)下的中繼點將首先解碼接收信號，并在傳輸前對信號在此編碼。但這就會讓中繼點存在錯誤接受信號的可能，盡管這樣的狀況可以通過糾錯編碼來規(guī)避。 所謂的解碼前傳有下列兩類： 一類指的是在中繼點免除多余的循環(huán)校驗(cyclicRedundantcheck，cRC)，將可能出現(xiàn)錯判的數(shù)據(jù)直接前傳，也就是DF無校驗協(xié)同。 另一類就是在中繼點進行多余的循環(huán)校驗，數(shù)據(jù)需要前傳與否由校驗結果決定。因此被稱為

51、DF有校驗協(xié)同。 4.3 協(xié)同多點傳輸/接收技術 G化的移動通信技術演變趨勢，讓身為跨小區(qū)便捷邊界用戶干擾（Inter-cell Interference，ICI）的協(xié)同中繼及其多點傳輸技術（Coordinated Multi-Point transmission/reception）成為了炙手可熱的研究焦點。 多小區(qū)環(huán)境下的MIMO技術的主要應用方式就是CoMP，其主要理念就是讓數(shù)據(jù)傳輸活動基于空間信道差別進行，同時通過跨小區(qū)的干擾處理來實現(xiàn)同頻組網(wǎng)以及跨小區(qū)之間通信干擾的規(guī)避。工作原理具體而言就是通過協(xié)同化的通信基站共同處理或者規(guī)避干擾信號，或者通過干擾信號和有用信號之間的轉化來

52、提升小區(qū)邊界用戶的吞吐量。可以說單小區(qū)MU-MIMO的跨小區(qū)派生品就是CoMP系統(tǒng)。 圖4.5 COMP系統(tǒng)示意圖 基于圖4.5可見，單個eNode B實現(xiàn)了對若干個小區(qū)的操控，且單個小區(qū)內部又有著若干個對應相應扇區(qū)的RRE（remote radio equipment）。實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能的多根天線陣列安裝在RRE上，從被調度的用戶（UE）角度上來說若干個RRE同時服務自己，且這些RRE的控制者為單個或若干個不同的 eNode B。如果UE未受調度，則只用所處扇區(qū)的RRE可以為其服務。 按照協(xié)同范圍來看，一般情況下的CoMP 可以分為 Intra-eNode B 和 Inter

53、-eNode B。 所謂的Intra-eNode B是指單個 eNode B 囊括了整個協(xié)同范圍的小區(qū)，因此跨小區(qū)的信息共享可以被認為如圖4中UE1一樣同步精準， 所謂的Inter-eNode B是指協(xié)同范圍內的小區(qū)分屬不同的eNode B，且不同的eNode B之間的通信是通過X2接口完成的，底層的通信是通過光纖，因此跨小區(qū)的信息共享會產(chǎn)生如圖4.5中UE一樣不精準或者遲滯的狀況。 因為此項技術需要大量的跨RRE共享數(shù)據(jù)，UE信道狀態(tài)以及調諧等多種信息，因此需要很高的信息共享水準，這一切通過Intra-eNode B更容易辦到。 如果從傳輸方案角度來看，CoMP下行傳輸方案正好和目前

54、有關COMP的三大3GPP研究技術相匹配。也就是：聯(lián)合發(fā)送技術（Joint Transmission， JT）、動態(tài)小區(qū)選擇技術（Dynamic Cell Selection， DCS）和協(xié)同波束成型技術（Coordinated Beamforming，CB）。 (1)JT技術 如果CoMP下行傳輸時所依賴的某個UE被調動，則協(xié)同傳輸?shù)腞RE會將相同數(shù)據(jù)發(fā)送到UE上，這就是可以實現(xiàn)干擾信號有用化以實現(xiàn)跨區(qū)干擾規(guī)避的JT技術，這一技術就可以提升小區(qū)邊界用戶的信號接收水準，圖4.5所示就是該技術的協(xié)同傳輸方案[28】 (2)DCS技術 JT技術中的一類特殊情況就是DCS技術，在這里，UE

55、在被調動后會給eNode B發(fā)送相關反饋，eNode B會根據(jù)這些反饋基于一個RRE發(fā)送回饋數(shù)據(jù)給UE，但是發(fā)送回饋的UE只有一個。一般情況下，該技術和JT技術可以被稱為JP聯(lián)合處理技術。該技術的示意圖為圖4.6。 圖4.6 DCS示意圖 (3)CB技術 在該技術所涉及的傳輸方案內部，用戶的反饋信息被eNode B收到以后會選擇一個固定的RRE給用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，而其余的寫作RRE也會同樣給其他的被調度用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。eNode B控制的RRE發(fā)送的數(shù)據(jù)要基于可能對 其他RRE的數(shù)據(jù)干擾來進行調諧，通過調整信號波束走向來規(guī)避較大的干擾波束，以保證不會干擾其他區(qū)域內的UE。

56、 圖4.7 CB技術示意圖 5 3GPPLTE標準MIMO技術 5.1 引言 從上世紀90年代開始，移動通信技術就始終沒有放慢發(fā)展的腳步，人們的生產(chǎn)生活已經(jīng)越來越離不開移動通信，不斷膨脹的客戶數(shù)量讓移動通信技術的發(fā)展活動不斷面對新的挑戰(zhàn)，從第一代的模擬移動通信到現(xiàn)今的第三代數(shù)字移動通信， 每一代的技術及其應用都實現(xiàn)了巨大的跨越，現(xiàn)在的通信手段已經(jīng)呈現(xiàn)出了寬大化和移動化的發(fā)展趨勢?；谝苿油ㄐ攀袌鰸摿Υ蟮案獾奈偷屯度敫邘捈夹g的全面鋪開，以往非傳統(tǒng)移動領域的通信商也加入了移動通信職場的競爭中，并由此引爆了全新的“SKYPE”業(yè)務運行模式。這樣基于語音和短視頻的移動通信業(yè)務可以基于

57、投入幾乎為零的無線寬帶網(wǎng)絡讓消費者享受到零花費的移動通信服務。全新力量的代表運行商給傳統(tǒng)的移動運營商造成了嚴重的市場威脅，也提升了網(wǎng)絡革命的速度。因此不斷通過推出新的通信服務來滿足用戶需求成為了移動通信運營商在市場站穩(wěn)腳跟的唯一手段， 出于迎戰(zhàn)諸如WIMAX和WiFi這樣的全新無線寬帶技術的需要，3G寬帶無線市場的競爭力必須提高從而保證未來十年自身的市場競爭力。因此,3GPP組織在2004年底正式上馬LTE項目并針對LTE開展了長期畫的UTRA技術探討，從而實現(xiàn)了3G到B3G再到4G的網(wǎng)絡升級。 LTE技術實現(xiàn)了OFDM正交頻分復用技術和MIMO技術的關鍵性融合，這里面的OFDM可以對無線

58、新到內部的多路徑遲滯擴展產(chǎn)生的好干擾加以規(guī)避，從而讓從復雜時域到簡單時域的信道處理更加均衡。而MIMO技術則主要用于為多途徑多樣化的時空和頻域信號傳輸提供相應的副本。接收端在進行解碼時同時以接收信號及其副本作為依據(jù)以提升通信傳輸可靠程度，所謂的MIMO多路復用就可以在不增加功率和帶寬的情況下通過多個天線的多路復用信號傳輸來讓頻譜利用率實現(xiàn)幾何級數(shù)增長。 3GPP LTE將更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，覆蓋面及系統(tǒng)容量，和更少的時間財力投入作為自身的演進目標，其主要的性能目標包括： 基于20MHz寬帶實現(xiàn)下行 100Mbit/s和上行 50Mbit/s 的峰值速率; （2）讓小區(qū)邊界客戶有更好的信號

59、傳輸體驗； （3）擴充小區(qū)信號容量； （4）規(guī)避系統(tǒng)遲滯：用戶內部平面單向傳輸遲滯時間小于5微秒，控制面板的睡眠激活遷移小于50微秒，駐留狀態(tài)激活時間小于100微秒。 （5）信號傳輸覆蓋半徑達到100公里。 （6）時速350公里的高速移動客戶接入服務超過100kbit/s； （7）頻譜是否成對均可支持，且實現(xiàn) 1.25~20MHz 多種帶寬的配備。 5.2 LTE MIMO分集與空間復用 時空，頻率和功率是無線通信系統(tǒng)所使用的主要資源。其中空間和頻率資源在B3G/4G環(huán)境下得到了再次的利用開發(fā)，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)性能的提升，在收發(fā)兩端的設備商使用MIMO技術及多根天線可以讓空間域

60、足夠擴展并以此特性擴充了系統(tǒng)容量，從而成為了LTE系統(tǒng)的真正核心。 5.2.1 LTE MIMO分集 在3GPP LTE中,涉及到了多天線分集方法,發(fā)射分集和接受分集。發(fā)射分集中在這里介紹幾種常用的分集方法: （1）循環(huán)時延分集 這是一種簡易的發(fā)射天線技術，最早的的DD延遲分集是由Wittneben在1933年提出的。后來，DD技術被修改為適合在OFDM系統(tǒng)的時域操作。由于該技術使用循環(huán)移位而不是簡單信號延遲，它被稱為循環(huán)延遲分集（CDD）。原理如圖5.1。 圖5.1 循環(huán)延時分集 這一技術再后來被賦予了匹配OFDM系統(tǒng)的時域操作功能?；谠摷夹g是采用的循環(huán)移位而非

61、直接的信號遲滯，因此被稱為CDD循環(huán)延遲分集。圖5.1即為其原理。 CDD技術的最早運用存在于MIMO-OFDM系統(tǒng)之中，通過讓每根天線不斷傳輸帶有不同循環(huán)延遲的同等數(shù)據(jù)來實現(xiàn)分集增益提升。也就是說將單純的MISO信道轉化成了登喜ODE單出入SISIO信道。這樣的轉化既可以讓信道的數(shù)目和頻率可選度加以提升，也可以基于從空間分集到頻率分集的轉換提升瑞利多路徑衰落狀態(tài)下的系統(tǒng)性能。這一技術擁有兩大優(yōu)勢：其一，CDD可以基于適合的信道編碼獲取所有MIMO系統(tǒng)內部的空間分集和多路徑信道分集；其二，在統(tǒng)一的編碼格式下可以允許多個發(fā)射天線同時存在。 。 （2）空時分集發(fā)射 圖5.2 空

62、時發(fā)射分集 按照圖5.2可知，經(jīng)過STBC空時分組碼編碼的數(shù)據(jù)被截為兩段，1號天線上的數(shù)據(jù)流等同于原數(shù)據(jù)流，而2號天線上的數(shù)據(jù)流與原數(shù)據(jù)流之間成共軛或者反向關系，且順序也發(fā)生了變化，不同的天線同時發(fā)射編碼矩陣的單列符號，單個天線上發(fā)射的坐標符號與其他任何一個天線上發(fā)射的符號都成正交關系。調制符號通過空式分集被映射到由不同接受天線在不同時間組成的時空區(qū)域內從而提升分集增益，這也是客戶廣泛歡迎的原因。?？諘r分集發(fā)射利用空間分集和時間分集，能夠有效地對抗信道衰落，從而提高系統(tǒng)的傳輸性能和容量。 （3）空頻發(fā)射分集 圖5.3 空頻發(fā)射分集原理 按照圖5.3可知，空頻發(fā)射分集與空時發(fā)

63、射分集較為相似，唯一的不同在于空頻發(fā)射分集要通過SFTD對信號進行OFDM編碼，每一個符號都要在不一樣的頻玉空域重新編碼，相同數(shù)據(jù)通過不同的子載波加以運送來獲得分集增益。這一技術在現(xiàn)時應用的LTE發(fā)射分集技術中應用較為廣泛。 在任意情況下，只要在單個固定時刻有一個足夠的高強度信號副本傳輸?shù)浇邮赵O備上，都可以基于這一技術提高信噪比。 5.2.2 空間復用 圖5.4空間復用原理圖 如圖5.4所示，發(fā)射的高速數(shù)據(jù)被分成若干個并行的低速數(shù)據(jù)流，并且同時從相同頻帶的多個天線發(fā)射。由于多徑傳播，每個發(fā)射天線為接收機產(chǎn)生不同的空間特征。接收器使用這些不同的簽名來分離出獨立的數(shù)據(jù)流并最終將

64、其復用到原始數(shù)據(jù)流中。因此，空間復用可以使數(shù)據(jù)傳輸速率加倍。 在LTE系統(tǒng)中，當UE快速移動時，不會獲得信道質量信息，并且可以通過使用發(fā)射分集技術來獲得鏈路分集性能。發(fā)送分集對于延遲敏感的服務也是有用的。然而，發(fā)送分集不能增加峰值速率，因為發(fā)射分集只能傳輸單個碼流。通過利用MIMO空間復用技術，在eNB和UE之間傳輸多個數(shù)據(jù)流，eNB的多個發(fā)送天線和UE端的多個接收天線能夠獲得更高的峰值速率。因此，通過利用更大的傳輸帶寬和更高階的調制方式，LTE系統(tǒng)利用MIMO空間復用技術可以獲得更高的峰值速率。因為UE在良好的信道條件下能夠從多個數(shù)據(jù)流獲得增益，故MIMO空間復用技術能夠提高小區(qū)容量和吞

65、吐量。 5.3 SU-MIMO與MU-MIMO 5.3.1 下行SU（單用戶）- MIMO 下行SU-MIMO是大幅度提高單用戶下行峰值速率以及LTE系統(tǒng)下行頻譜效率的重要手段。LTE系統(tǒng)的下行SU-MIMO是基于預編碼技術的MIMO方案，它由發(fā)射端的預編碼及其對應的接收端匹配濾波組合形成，預編碼矩陣根據(jù)時空信道特征獲取。其主要特點有： (1)目標：增加用戶數(shù)據(jù)速率。 (2) 一個用戶同時接受不同的數(shù)據(jù)流。 (3) 當用戶占用信道條件良好時，傳輸效率是較高的。 很明顯，基于預編碼技術的SU-MIMO多流傳輸收發(fā)信機方案，等效于將多個子流在空間上彼此正交的特征信道中進行傳輸而互

66、相完全沒有干擾。 實際應用中，多流的發(fā)射功率可以采用注水的方式以獲得功率效率最大化。一些奇異值比較小（甚至為零）的特征信道根據(jù)注水原理將不會獲得任何功率分配，這也是LTE協(xié)議中SU-MIMO發(fā)射“層”數(shù)可變的重要原因。 5.3.2 下行MU（多用戶）-MIMO 下行MU-MIMO也是一種空分多址（SDMA）的復用方式，系統(tǒng)則使用相同的時頻資源塊同時向多個終端發(fā)射不同的信號。下行MU-MIMO也是大幅提高LTE系統(tǒng)下行頻譜效率的一個重要手段，但無法提高單用戶峰值速率。 下行MU-MIMO的情況比較復雜。不同終端的接收天線數(shù)也不盡相同，因此不同接收天線數(shù)的終端對于MU-MIMO發(fā)射信號的正交性要求也不一樣。多天線接收的終端能夠對一定程度的混合信號進行聯(lián)合檢測，恢復自身信號；而單天線接收的終端需要依賴系統(tǒng)側發(fā)射端對信號進行盡可能的預正交，以降低空分多址信號的互干擾。 下行MU-MIMO還可以與下行SU-MIMO結合起來應用，以最大限度的提高LTE系統(tǒng)的下行頻譜效率，并兼顧單用戶峰值吞吐量。 5.3.3上行MU（多用戶）- MIMO 上行MU（多用戶）-MIMO實際上是一種空分