MIMO技术原理,4x4mimo是什么_4x4mimo手机有哪些

MIMO(MulTIple-InputMulTIple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

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多入多出(MIMO)或多发多收天线(MTMRA)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。
多入多出(MIMO)或多发多收天线(MTMRA)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。那么MIMO技术究竟是怎样的?
实际上多进多出(MIMO)技术由来已久,早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。在70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统,但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是90年代由AT&T
Bell实验室学者完成的。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量;1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法——对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法;1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码;1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统,在室内试验中达到了20
bit/s/Hz以上的频谱利用率,这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意,并使得多入多出的研究工作得到了迅速发展。
一句话,MIMO(Multiple-Input
Multiple-Out-put)系统就是利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量,相对于普通的SISO(Single-Input
Single-Output)系统,MIMO还可以包括SIMO(Single-Input
Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。
MIMO的概念通常,多径要引起衰落,因而被视为有害因素。然而研究结果表明,对于MIMO系统来说,多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道,MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图1所示为MIMO系统的原理图。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k),I=1,……,N。这N个子流由N个天线发射出去,经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流,从而实现最佳的处理。

摘要:根据频率分集技术的特点,提出了一种新的分层空时码传输方法。在发射端,采用不同的天线,利用不同的频率发射信息;在接收端,采用不同的接收天线来接收不同发射天线发射的信息,即采用一对一的传输方式。仿真结果表明,该方法与已有的典型传输方法相比,在接收端同样采用最大似然准则译码,可大大加快译码的速度。关键词:分层空时码;频率分集;空间分集;最大似然译码

无线电发送的信号被反射时,会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出的系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流,并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。MIMO技术的应用,使空间成为一种可以用于提高性能的资源,并能够增加无线系统的覆盖范围。

图1 多入多出系统原理

0 引言
MIMO无线通信技术结合了天线发射分集、接收分集与信道编码技术,可显著提高通信容量,是无线通信发展的趋势。普遍认为,MIMO将是新一代移动通信系统必须采用的关键技术,而空时编码技术是MIMO技术的基本问题。空时编码(Space-time
Cod-ing)技术是抗信道衰落和提高系统容量的一种最新的编码方法,多天线系统与空时编码的结合是空间资源利用技术的发展方向,可以认为是一种高级的分集技术。研究表明,空时编码的最大特点是将编码技术和阵列技术有机地结合在一起,实现了空分多址,从而提高了系统的抗衰落性能。空时编码技术利用衰落信道的多径传播特点,以及发射分集和接收分集来提供高速率、高质量的数据传输,与不使用空时编码的编码系统相比,空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得更高的编码增益,提高了抗干扰和噪声的能力。
MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用户通信性能有利增强因素。MIMO技术有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。MIMO技术的成功之处在于它能够在不额外增加所占用信号带宽的前提下带来无线通信性能上几个数量级的改善,可以说,在接收端,多径分量越多性能越好。
MIMO技术本质上是空间分集与空间复用的结合,分集可以保证传输的可靠性,复用则可以提高传输速率。众所周知,已有典型的传输方法,在发射端,每根天线利用相同的频率发射信号;在接收端,每根接收天线要接收发射天线的所有信号。在此利用频率分集技术的特点,对分层空时码的传输方法进行了改进,提出了一种新的传输方法,即使用一对一的接收方法。虽然该方法的频谱利用率有所下降,但大大提高了系统的性能,与已有典型的传输方法相比,该方法在接收端可大大降低译码的复杂度。

MIMO接入点到MIMO客户端之间,可以同时发送和接收多个空间流,信道容量可以随着天线数量的增大而线性增大,因此可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。

特别是,这N个子流同时发送到信道,各发射信号占用同一频带,因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立,则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息,数据率必然可以提高。
MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化,从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。
系统容量是表征通信系统的最重要标志之一,表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N,接收天线数为M的多入多出(MIMO)系统,假定信道为独立的瑞利衰落信道,并设N、M很大,则信道容量C近似为:C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
其中B为信号带宽,ρ为接收端平均信噪比,min(M,N)为M,N的较小者。上式表明,功率和带宽固定时,多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下,在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统,其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言,多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。
可以看出,此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集,从而降低信道误码率。
MIMO研究状况
目前,各国学者对于MIMO的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进行研究。在MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文献,这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多入多出系统,尚有大量问题需要研究。比如说,各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的,因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作,即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有,在基本文献中,均假定接收机精确已知多径信道参数,为此,必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快,就使得训练时间太短,这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。
另外实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收,学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小,因而还有大量工作要做。目前各大公司均在研制实验系统。
Bell实验室的BLAST系统[4]是最早研制的MIMO实验系统。该系统工作频率为1.9
GHz,发射8天线,接收12天线,采用D-BLAST算法。频谱利用率达到了25.9
bits/(Hz·s)。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究,对于在3G、4G应用尚有相当大距离。在发送端和接收端各设置多重天线,可以提供空间分集效应,克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道,不会全部同时受到衰落。在上述具体实验系统中,每一基台各设置2副发送天线和3副接收天线,而每一用户终端各设置1副发送天线和3副接收天线,即下行通路设置2×3天线、上行通路设置1×3天线。这样与“单输入/单输出天线”SISO相比,传输上取得了10~20dB的好处,相应地加大了系统容量。而且,基台的两副发送天线于必要时可以用来传输不同的数据信号,用户传送的数据速率可以加倍。
朗讯科技的贝尔实验室分层的空时(BLAST)技术是移动通信方面领先的MIMO应用技术,是其智能天线的进一步发展。BLAST技术就其原理而言,是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”,在接收端对其进行“恢复”。利用BLAST技术,如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道,并利用先进的多用户检测技术,同时准确高效地传送用户数据,其结果是极大提高前向和反向链路容量。BLAST技术证明,在天线发送和接收端同时采用多天线阵,更能够充分利用多径传播,达到“变废为宝”的效果,提高系统容量。理论研究业已证明,采用BLAST技术,系统频谱效率可以随天线个数成线性增长,也就是说,只要允许增加天线个数,系统容量就能够得到不断提升。这也充分证明BLAST技术有着非常大的潜力。
鉴于对于无线通信理论的突出贡献,BLAST技术获得了2002年度美国Thomas
Edison(爱迪生)发明奖。2002年10月,世界上第一颗BLAST芯片在朗讯公司贝尔实验室问世,贝尔实验室研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了贝尔实验室Layered
Space Time (BLAST)
MIMO技术的芯片,这一芯片支持最高4×4的天线布局,可处理的最高数据速率达到19.2Mbps。该技术用于移动通信,BLAST芯片使终端能够在3G移动网络中接收每秒19.2兆比特的数据,现在,朗讯科技已经开始将此BLAST芯片应用到其Flexent
OneBTS家族的系列基站中,同时还计划授权终端制造商使用该BLAST芯片,以提高无线3G数据终端支持高速数据接入的能力。
2003年8月,Airgo Networks推出了AGN100
Wi-Fi芯片组,并称其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技术的批量上市产品。AGN100使用该公司的多天线传输和接收技术,将现在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps,同时保持与所有常用Wi-Fi标准的兼容性。
该产品集成两片芯片,包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF),采用一种可伸缩结构,使制造商可以只使用一片RF芯片实现单天线系统,或增加其他RF芯片提升性能。该芯片支持所有的802.11
a、b和g模式,包含IEEE
802.11工作组推出最新标准(包括TGi安全和TGe质量的服务功能)。
Airgo的芯片组和目前的Wi-Fi标准兼容,支持802.11a,
“b,”和”g”模式,使用三个5-GHz和三个2.4-GHz天线,使用Airgo芯片组的无线设备可以和以前的802.11设备通讯,甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a设备通讯的同时还可以以108Mbps的速度和Airgo的设备通讯。
凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现,多输入多输出(MIMO)技术已经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题。

1 分集技术和复用技术
根据获得独立信号方法的不同,分集技术可分为时间、频率、空间、角度、极化等形式,下面重点介绍频率分集和空间分集。
频率分集:理论上,不相关信道发生同样衰落的概率是各自产生衰落概率的乘积,即指在不同载波频率上提供多个信号副本,其工作原理是基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样衰落的结论。所以,当载波频率的间隔大于衰落信道的相干带宽时,载波信道之间就是独立不相关的,从而获得比较好的分集增益。
空间分集:指发射端/接收端在空间上分开排列多个天线或天线阵列来实现。多个天线在物理空间上分开一定的距离,以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的,即当某一副接收天线的接收信号很低时,其他接收天线的接收则不一定在同一时刻也出现幅度低的现象,经相应的合并电路从中选出信号幅度较大,信噪比最佳的一路,以得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了通道衰落的影响,改善了传输的可靠性。
空间复用:通过串并变换把串行信息符号分成m个并行独立的数据流,各个数据流的数据各不相同,通过m个发射天线在相同的频段同时发送出去,这样就可以大大地提高系统容量和频谱利用率。理论研究证明,空间复用技术中垂直分层空时码(V-BLAST)的频谱利用率可以达到20~40
b/s/Hz。

2、提高信道的可靠性

2 V-BLAST传输模型
首先假设发送天线数为m,接收天线数为n,hi,j表示的是发送天线i(i=1,2,,m)到接收天线j(j=1,2,,n)之间的信道增益,其中hi,j是服从均值为0,每维方差为O.5的复高斯随机变量,H=(hi,j)nm为信道矩阵。其中,信道是窄带、准静态的平坦Rayleigh衰落的MIMO信道,即在一帧发送数据期间,信道的响应保持不变。假设rj(j=1,2,,n)表示第j个接收天线上的信号,其中rj是m个发送天线上的发送信号sk(k=1,2,,n)的叠加与高斯噪声之和。这里用r表示接收信号向量,X表示发送信号向量,n表示接收端的噪声向量,分别表示如下:

利用MIMO信道提供的空间复用增益及空间分集增益,可以利用多天线来抑制信道衰落。多天线系统的应用,使得并行数据流可以同时传送,可以显着克服信道的衰落,降低误码率。

其中:nj为每个接收天线上的加性高斯白噪声,可写成:

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对于一个2发2收的系统,式可写成:

所谓4x4MIMO,指的是无线网络的基站有4根天线发射数据而用户终端有4根天线接收数据,而4x2MIMO的用户终端只有2根天线接收数据,如下图所示。

其中:n1,n2分别是接收端收到的加性高斯白噪声(AWGN);h1,h2,h3,h4为信道增益系数。

显然,前者在下载速度上比后者要快得多。如果用户要下载数据,4x4MIMO终端可以传输4个数据流,而4x2MIMO最多只有2个数据流。

3 改进的分层空时码的传输方法3.1 改进的传输模型
众所周知,MIM()技术本质上是空间分集与空间复用的结合,分集可以保证传输的可靠性;复用则可以提高传输速率。因此在设计编码时,尽量同时取得分集增益和复用增益。
通常,不管是基于分集技术还是基于空间复用技术的发射方法,在发射端每根天线用相同的频率发射相同信息或不同信息,从而实现分集和复用;在接收端每根天线需要接收所有的信号。本文结合频率分集的特点提出了一种新的传输方法(见图1)。发射端的每根天线利用不同的频率发射信息,在接收端采用不同的天线分别接收不同发射天线的信息。与以往的传输方法相比,改进方法虽然频率利用率有所下降,但大大提高了系统的性能。
对于一个2发2收的系统,在一个给定的码元期间,s1和s2分别是在t时刻从天线1和天线2同时发出的码元,发射天线1的发射频率为f1,发射天线2的发射频率为f2,在接收端,采用接收天线1来接收发射天线1发射的信号,接收天线2来接收发射天线2发射的信号,接收信号分别为r1和r2,可表示为:

在信号好的地方,4x4MIMO终端的数据流比4x2MIMO终端多,传输速率快;如果信号不好,天线多一倍的4x4MIMO终端可以更好地克服信道衰落,降低误码率,通信速率也更快。

其中:n1,n2分别是接收端收到的噪声和干扰;h1,h2为信道增益系数。

Note7是首款支持4x4MIMO技术的商用智能手机。支持4x4MIMO技术理论上意味着三星Note7将享受到更快的下载速度,以及更稳定的网络连接。

4x4MIMO技术使用了4根天线来接收基站信号,更多的天线不仅意味着数据接收速度更快,同时也保证了数据吞吐的稳定性。除此之外,支持4x4MIMO技术也能减少手机的资源消耗,迅速完成下载让CPU进入低功耗模式,已达到省电的目的。

不过值得注意的是,目前仅有使用X12LTE基带的设备才支持4x4MIMO技术,而这骁龙820正好整合了该基带。这也意味着Exynos8890版Note7将无缘该技术。

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3.2 极大似然译码
极大似然译码是最佳的矢量译码方法。假定所有的未编码符号是等概率发射的,接收端已知信道状态信息,则极大似然算法选择使下式成立的矢量c作为对c的近似,即:

其中:arg
min表示使函数达到最小值时的变量取值;||||代表Frobenius范数;C表示c的所有可能取值的集合。
ML检测就是在范数意义上从星座中寻找与接收信号最接近的矢量作为发射信号的估计值,虽然ML是一种最优的检测方法,但是ML检测的复杂度相当大(随发射天线数目呈指数增长)。

4 仿真结果和译码复杂度分析
为验证本文提出的传输方法,采用Matlab仿真软件对算法进行了仿真,并比较了结果。4.1
仿真结果
图2给出发射天线数为2;接收天线数也为2时,已有的典型传输方法与本文提出的传输方法的误码率曲线。图中所有的编码均采用了QPSK调制,并假设接收端有理想的信道估计并采用了传统的最大似然译码方法。

4.2 译码复杂度分析
观察式(4)可发现,只需进行简单的线性处理即可检测出s0和s1。对式(3)采用最大似然准则进行译码时,与本文的改进方法相比,译码速度相当慢。在2发2收系统情况下,调制方式分别采用2PKSK,4PSK,8PSK和16QAM,对两种传输方法的复杂度进行了比较,结果如表1所示。

从表1可看出,本文提出的传输方法与传统的传输方法相比较,计算量明显下降。调制方式分别采用2PSK,4PSK,8PSK和16QAM时,传统传输方法的计算量是本文提出的传输方法的2倍、4倍、8倍和16倍。

5 结 语
根据频率分集技术的特点,提出了一种新的传输方法。在该方法中,随着发射天线数目的增加,频谱利用率会降低,性能有所下降,但会加快接收端的译码速度。

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