mimo分集技术_wifimimo技术_mimo技术是什么(7)

与空间复用系统不同，空时编码系统追求的是分集效果的最大化，这有可能会导致速率的损失。可见，MIMO系统需要在编码得到的分集好处与复用得到的速率好处之间进行折衷，根据不同的目标要求，采取相应的传输方案。

由于MIMO技术具有很多优点，因此一经提出就得到了广泛关注，已经成为未来移动通信系统实现高速可靠传输的突破性技术之一。

1 无线通信系统的信道容量

众所周知，对于受到加性白色高斯噪声(AWGN)干扰的无记忆系统其信道容量由Shannon公式给出：

C=log2(1+ρ) (1)

其中ρ为接收信噪比。信道容量要增加1 bps/Hz，系统需要增加3 dB的信噪比。因为受到随机衰落的影响，无线信道是时变的。如果用h表示瞬时的信道的归一化功率复值增益，则SISO系统的信道容量为：

C=log2(1+ρ|h|2) (2)

这时信道容量是一个随机变量。由于衰落的影响，SISO系统所能达到的信道容量是较小的。对于接收端有Mr副天线的SIMO系统，信道增益变为一个矢量h[h1,h2,L,h ]，则随机信道容量应为：

C=log2(1+ρhhH) (3)

上标H表示矩阵的共轭转置运算。相比于SISO系统，SIMO系统无论是中断容量还是平均容量都有了较大的改善，这主要是因为接收分集提高了接收信噪比。但式(3)中信噪比处于对数函数内，所以其增加对容量的影响有限。

对于发送端有Mt副天线的MISO系统，h[h1,h2,L,h ]，如果发送端未知信道状况，则其信道容量为：

与SISO系统相比MISO系统的中断性能得到了一些改善，但平均容量却没有变化，这是因为多副发送天线没有进行波束成形，而是将发送功率平均地分配到各副发送天线上。

考虑发送天线数目为Mt，接收天线数目为Mr的MIMO系统。此时信道用Mr×Mt的矩阵H来表示，其元素hji表示从第i副发送天线到第j副接收天线的支路增益。在发送端未知信道状况的情况下，MIMO系统的信道容量为：

与MISO和SIMO，以及SISO系统相比，MIMO系统无论是在中断容量还是在平均容量上，都有显著的提高。事实上，若天线数目满足Mt=Mr=M并且数值较大，则平均容量基本上与M呈线性关系：

Cavg=Mlog2(1+ρ) (6)

从上可知，MIMO系统的信道容量随M=min(Mt,Mr)线性增长，而MISO和SIMO系统依对数增长。主要是因为按照特征模式传输，MIMO系统可分解为M个互不相关的并行特征子信道，每个子信道对应的增益为λi,{λ1,λ2,L,λM}是W=HHH的正特征值。由于对数函数的特性，总信道容量应为每个特征模式下的信道容量之和，因而容量得到了累积。

2 空间复用及BLAST编码

尽管从信道容量的角度可以证明多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高，但是这只是给出了各种编码算法所能达到的理论上界，并不能反映实际的传输系统所能达到的性能。在实际的系统中为了挖掘MIMO系统的潜在性能，需要研究具有一定性能保证，同时复杂性又不是太高的信号处理算法。MIMO系统增加的信道容量可以用来提高信息传输速率(属于空间复用研究的范畴)，也可以在保持信息传输速率不变的情况下，通过增加信息冗余度来提高通信系统的可靠性能(属于空时编码研究的范畴)，亦或可在两者之间取一个合理的折衷。

目前，提高频率利用率的空时复用技术主要有贝尔实验室提出的分层空时编码技术。贝尔实验室分层空时算法(BLAST)首先将信源数据输入的数据流串并转换为若干个数据流，然后按照一定的规则送到Mt副天线上发送，在接收端每副接收天线得到发送信号的叠加，接收机需要消除MIMO信道的混合效果，从而分离出各个数据流以恢复原始数据流。在不同天线上传输的符号之间没有直接的变换关系，从而可以看出分层空时编码不是基于发射分集的。

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