MIMO协作通信基本原理

摘 要：随着当前无线通信技术的快速发展,如何利用有限的频谱资源,提高频谱利用率来满足未来通信系统较大容量、高速率的需求,已经成为当前通信领域的研究课题之一.近几年来,被认为对通信技术有巨大推动作用的是MIMO技术,MIMO技术在接收端和发射端使用多根天线,从而形成多条路径,通过数字信号处理技术对多条路径传送信号进行形成和合并,提高了接收信号的质量和数据传输速率.

关 键 词：无线通信频谱资源MIMO

前言

无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量增加和怎么写作质量改善的主要原因之一.近年来提出的多输入多输出（MIMO）天线技术可以提供分集增益,从而对抗多径衰落.因此,MIMO技术得到越来越广泛的应用.

1.MIMO技术简介及基本原理

通俗地讲,多天线系统就是收发双方都采用多根天线进行收发.通过适当的发射信号形式和接收机设计,多天线技术可以在不显著增加无线通信系统成本的同时,提高系统容量.多天线技术因其能在不增加带宽的情况下提高传输效率和频谱利用率而获得广泛的青睐.

如图1所示,通过在发射端和接收端采用多天线技术,我们可以在空间域获得空间分集（也被称作无线分集）.如果在接收端仅配置一根天线,则此多天线模型通常被称作多输入单输出（MISO）系统；同样,如果在发射端仅配置一根天线,则系统为单输入多输出（SIMO）系统.

通常情况下,多输入多输出（MIMO）系统是指具有多根发射天线和多根接收天线的系统,具有多于一根发或收天线是在每对发射和接收天线之间建立不同的信道,在这类模型中,发射信息能够通过不同的信道到达接收端,只要其中一个信道足够强,接收机就能够恢复发射信息,如果我们检测设不同的信道相互独立或者具有非常小的相关度,那么所有信道链路衰落的概率就很小,无线对越多,接收信号的冗余度（分集）就越大,也就是说,收发器检测的可靠性将越高.

2.MIMO技术的优势

2.1多天线相比于单天线的优势

多天线技术相比单天线技术具有如下优势：

（1）阵列增益

使用多天线后增加了信号的相干性,从而获得阵列增益.

（2）分集增益

提高了分集增益.分集增益是通过利用多径来获得的,某一条路径性能变坏是不会影响系统的性能.在无线衰落信道里,可以增加接收信号强度的稳定性从而提高传输信息的可靠性.分集增益可以在空间（天线）、时域（时间）和频域（频率）3个维度上获得.

（3）共信道干扰消除

消除了共信道干扰.使用多天线后通过分析干扰的不同信道响应,消除共信道的干扰信号.

2.2MIMO技术的经济性

（1）提高传输容量,降低高话务区域建网成本

随着数据业务的不断推广,尤其是手机电视、高速无线上网等业务的应用,用户对数据业务的需求不断增加,在密集城区、热点地区等高话务区域,网络的部署将受限于容量.

（2）降低扩容成本

在不增加载频和基站数目的情况下,通过使用多天线技术作为扩容方案既可以满足容量的需求又可以大大减少扩容成本,真正实现低成本快速扩容.

（3）增加收发信机和天馈系统成本

多天线技术的引用使得收发信机的处理过程变得更加复杂：基站必须支持2个以上独立的发射通道（两天线独立地编码、调制、扩频和发送）和2个空间数据流的上行反馈信令（如CQI、ACK/NACK等信令）处理,这些都将在一定程度上增加基站和终端成本.

3.协作通信的基本原理

MIMO技术虽具有如此多的优势,但在实际中,并不是所有用户都能保证如此高的传输速率,因此,MIMO还存在一定的问题,这也使得MIMO协作通信有了良好的发展

MIMO协作通信是一种新的通信方式,通过引入中继信道,它在用户和基站之间产生了独立路径,在协作通信方案中,对于接收到由其他发射节点辐射出的有用能量的节点会有一些先验的限制,新的用户协作范例是这样的：通过在节点上执行适当的信号处理算法,多终端能处理从其他节点到的传输信号,并且通过彼此的中继信息进行协作,如图2所示,中继信息随后在目的节点进行组合以产生空间分集,这就产生了这样一个网络,它可以被认为是一个执行分布式多天线的系统,协作节点为彼此产生了不同的信号路径.

因此,对于网络中所有用户都产生高速率的第四代无线系统而言,协作通信是一种新的手段,是未来无线通信新的发展趋势.