分集技术无线通信技术分析研究信息技术专业

摘 要在有关无线通信系统的研究领域内普遍公认：无线通信的质量好坏会受到多种因素的共同作用，其中就包括信号的衰落效应。因此在具体的无线电通信的过程中必须利用多种技术手段来降低这种效应给通信质量所造成的损失，本文所涉及的分集技术就是其中的一种。在本论文内，有关分集技术的相关探讨背景，分集技术的具体类别以及未来的可能技术演进走向都会得到充分的探讨和剖析，其中包括相关技术在3G通信网络，多天线分集和3GPP.LTE等多种领域中的实践运用情况。可以说因为分集技术的存在，无线通信系统运行中的多项瓶颈被突破，相关通信技术的更新过程也因此实现了飞跃。所谓的MIMO技术，英文全称为“Multiple-Input Multiple-Output”，一般指的是通过分别安装在信号发出端和接收端的多更天线来实现基于发送接收两端的多天线信号并行传输，以提升通信活动水准的相关技术。这一技术通过多根安装在信号收发两端的多根天线，在频谱资源和天线功率不变的状态下，可以基于对整个信号站空间的充分利用来实现通信信道容量的几何级数增长。因此由于其巨大的优越性而被公认为未来一代移动通信技术的绝对核心。如果按照技术继承的相关概念来说的话，我们已经在4G的环境下对MIMO技术进行了足够透彻的理论探索和实际应用，而且已经取得了足够成熟的技术积累和多方向的全面突破。但是在实践过程中真正将4G环境和MIMO相关技术加以结合应用进行信号传输的天线数量不会超过八个的规模，因此也不会有太多的4G通信容量会以MIMO技术为运行基础。后来在针对从4G网络上发展而来的5G网络的相关探索过程中，行业界将大规模MIMO技术（Massive MIMO）首次摆上了台面，如果按照大规模MIMO技术的标准，应用于5G环境的同技术天线将会达到百根乃至千根的规模，自然的也会产生理论上的无穷大的通信容量。 关键词:分集技术 无线通信 多天线技术 AbstractIn the wireless communication system, the fading effect 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 analyzes 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-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 space 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 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 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 录摘 要IAbstractII引 言11 分集技术21.1 分集原理21.1.1 分集方式21.1.2 分集接收技术31.2 RAKE接收机41.2.1 RAKE接收机的原理41.2.2 RAKE接收机在DS-CDMA中的性能42 发射分集技术在3G中的应用72.1 研究背景及意义72.2 发射分集技术分类72.3 3G中的开环发射分集73 MIMO技术113.1 MIMO技术的发展现状113.2 MIMO技术原理113.3 MIMO技术的优势123.4 MIMO信道模型及信道容量分析133.4.1 MIMO系统模型133.4.2 MIMO信道模型133.4.3 MIMO信道容量分析144 无线通信中的协同技术154.1 协同分集技术154.2 协同多点传输/接收技术154.2.1 协同与中继的区别164.2.2 协同分集中的信号处理方式165 3GPPLTE标准MIMO技术205.1 引言205.2 LTE MIMO分集与空间复用215.2.1 LTE MIMO分集215.2.2 空间复用235.3 SU-MIMO与MU-MIMO235.3.1 下行SU（单用户）- MIMO235.3.2 下行MU（多用户）-MIMO245.3.3上行MU（多用户）- MIMO24总 结26致 谢20参考文献212引 言在无线通信信号的传输过程中，具体的信号可以以反射，散射或者直传等多种路径实现从发射端到接收端的并行传输，但是因为叠加作用，这些并行传输的信号会因为相互之间的干扰而产生衰落现象，如果衰落现象较为严重，也就是快衰落的情况下，信号可以产生深达40dB甚至80dB的衰落。这样就会让整个通信活动的质量水准大打折扣，例如会让数字信号产生过高的错误码率等等。虽然对于衰落现象带来的通信质量水准变差可以通过对发射端功率的加强来予以弥补，但同时也会带来过高的投入成本和过高的跨站扰动，所以从实践角度来看这样的方式根本不具备实际利用价值。因此，在对抗信号衰落现象的问题上，主要的技术手段依然是信道编码，信号平衡，频率扩充以及分集等。从实际效果来看，分集控制对于信号衰落的规避最庸是最强的。所谓的分集，其实就是在衰落现象较为明显的单独传输信道上不断重复传输完全相同的信号，这样基于较小的同时刻同信道的信号衰落率，按照一定规格合并发出的信号在接收端的衰落幅度就会降低，让通信传输更为可靠。这一保障技术的应用提升了无线通信技术的发展速度。而且这一技术对于无线通信信号多信道衰落的有效规避作用已经被若干次研究所证实。281 分集技术1.1 分集原理1.1.1 分集方式分集技术的类别主要包含宏观和围观两个比较大的类型。所谓宏观分集也可以被成为多基站分集，其主要作用就是起到对缓慢信号衰落的规避作用。例如，在架设移动通信基站网络的过程中，基站的具体物理位置都各不相同，例如小蜂窝区域的相对两角连线上，这些基站所发送的信号完全一致。其中将信号传输效率最高的基站作为小区内部的移动通信总台，由此规避地形地貌以及空气环境造成的信号慢衰落现象。所谓的微观分集，其主要作用于对快速衰落现象的规避上。基于前面的大量理论研究和实际应用表明，如果信号在时空和频率角度上都产生了一定的分离那么必然产生具备单独状态的衰落，按照不同的分离角度可以将微观分集划分为以下几类： (1) 时间分集所谓时间分集，其实就是把同样的通信信号按照一定的时间区段反复发送，只要保证有足够的信号传输间隙，那么就可以保证单次传输衰落时间的独立计算过程。而对这些彼此独立的衰落现象及其特性的统计数据的使用过程就是所谓的时间分集，换句话来说，时间分集主要是基于不同的时间统计差异来实现对事件选择性衰落的规避。与空间分集相比，时间分集可以实现对接收端天线和其他硬件配置的节约化，但是也因为过大的时间占有率而降低了成本投入以及传输效率的优化成都，而且这样的方式无法作用于处于相对静止的移动通信台的。(2) 频率分集所谓的频率分集，其实就是让具备相同微波频率范围的两个以上微波频率在同一时间内同时实现对同一通信信号的传输，然后再对这些信号进行遴选或者合成的过程，通过基于不同频率的信号的相互独立的衰落信道特征进行特性的统计，通过对这些衰落特性的统计来规避信号衰落的过程，在具体的操作过程中，发送出去的信号可以在调谐之后同时在相互独立的不同频率载波上进行输送。和空间分集一样，频率分集同样实现了对接收端天线和其他硬件配置的节约化，但是会占用过多的带宽资源，因此这样的分集模式也被称为带内分集，在某些情况下，可能需要在发射端追加更多的发射机安装配置。 (3) 空间分集一般的空间分集系统存在两种类型，发送端的空间分集和接收端的空间分集。所谓接收端的空间分集是指通过处于不同离地高度的天线端实现对单个天线发射的微波信号的同步接收，然后基于这些信号进行强力信号的合成与遴选。这样的接收方式可以最大限度地提升对信号衰落现象的规避和整个传输过程的可靠性。虽然可以提升足够的分集增益，但这就需要在接收端追加安装独立的天线。1.1.2 分集接收技术所谓的分集技术，其实就是对通过多路径的信号传输能量来实现传输可靠度提升的相关技术研究活动，这其实最为基本的信号利用研究参数的一类，在时空和频率象限内如何传输信号的分散和聚集是这一技术的研究重点。这里的分散和聚集是其实是完全矛盾的两个概念，但是分散后互不干扰的多条支路信号在到达接收端以后可以通过合并技术来产生分集增益。合并时采用的准则与方式主要分为四种：最大比值合并（MRC: Maximal Ratio Combining）、等增益合并(EGC: Equal Gain Combining)、选择式合并(SC: Selection Combining)。假设个输入信号电压为，则合并器输出电压为： （2-1）（1）等增益合并所谓的等增益合并（EGC），或者叫相位均衡，指的是针对发生在信道内的相位偏移状态的扶正只针对相位偏移本身而不包括其幅度，而将每一条分支传输的信号等增益相加的过程就是所谓的等增益合并，也就是上面等式中的加权系数。这样的增益合并模式的最优性并不存在一任何状态下，而只满足具备同等信噪比的多路信号存在并且其达到最大的信噪状态。这样的合并输出得到的结果只是单纯各条传输信号幅度值之和。在CDMA的环境状态下，这样的等增益合并对于以每个信号传输通道存在的衰落差异为代表的正交性用户信号形态采取了认可和维护的处理方式，而且也不会对通信系统信噪比变化产生任何影响。因此这样的模式适用于系统接收信号幅度难以被准确测量的状况。（2）最大比值合并（MRC）在接收端，有多个分集分支，相位调整后，根据适当的增益因数同相增加它们，并送到信号的接收端同时存在着若干个支线分集，在调谐相位的过程中也要按照相应的增益因数来进行比对相加，同时要通过检测器的测试。与接收端无关的支线分集在校正其相位时可以基于一定的可变收益幅度进行加权增减，然后将可变的检测器测试收益进行合并。所谓最大比合并，指的是如果接收端有N个直线分集存在，那么加权系数的大小和支线分集的信号强弱之间呈正相关。与选择式合并不同，在最大比值合并的状态下，需要叠加的信号必须满足两两对比呈现同相状态，因此单个的接收天线都拥有着独立的接收设备和相位调谐电路。所有信道的SNR相加之和就是整个输出端口的SNR最大比例输出。这样一来，不管单个信道传送的信号强度有多差，甚至已经无法独立分解出任何单个信号的状态下，最大比值合并状态下的SNR信号仍然可以通过系统合成并被解调为符合要求的信号。因此，在目前已经被投入具体应用的所有线性分集合并模式中，最大比值合并被公认具备最好的抗衰落性质。在现在不断发展的DSP和数字接收技术之中已经逐渐将这一技术手段加以普及。（3）选择式合并在该技术条件下，选择性逻辑是N个信号输出接收设备被送入的内容，根据这一逻辑，从这若干个接收信号之中选择具备基带信噪比峰值的信号作为输出信号。也就是说选择式分集输出信噪比在新增一条支线分集的状态下所做出的贡献为总体分集支线的倒数倍。但这只是理论上的状态，因为信噪比在现实情况下的难以测定性，所以更多时候是将的值作为参照系的。目前，在模拟无线通信系统内部，分集接受技术已经获得了全面的应用，而且其应用范围已经延伸到了数字无线通信领域。现行的GSM基站为了提高运行效率都基本上采用了双重空间分集接收系统，而CDMA移动电话及其相关基站在进行分集接收的时候一般用的都是RAKE多路径接收设备来规避信号衰落。1.2 RAKE接收机1.2.1 RAKE接收机的原理采用扩频技术后的CDMA移动通信系统会拥有较大的信号贷款，如果这个带宽和相干带宽之差为正数时，则为通过无线信道传输的信号会遭到选择性频率衰落的干扰进而触发多路径传输延时，在这些多路径传输的信号当中必然存在着达到利用标准的信号，但是传统的接收模式必然会拉低具备使用价值的信号的丢失信噪比。因此就必须通过更为复杂的接收设备（RAKE receiver）通过对所有路径的信号的接收来提高这一比值，以求规避多路径传输干扰和提高接收效率并规避通信过程中的多路径衰落。所谓的RAKE，其实就是一种多路径的分集信号接收手段，该技术将多路径传输的信号在第一时间进行高精度甄别并对信号进行独立的加权处理以增强信号特质。其基本原理为：接收设备将幅度和噪声之间的比值极高的多路径信号分量加以取出并进行延迟和相位调教，在一定的时间点内进行校正，然后按照诸如最大比例组合这样的规则进行信号合并。基于代数和状态为准组合可变向量，以求提高信号的抗干扰和抗衰落的能力。1.2.2 RAKE接收机在DS-CDMA中的性能RAKE接收设备就可以在多个衰落信道路径上进行信号能量合成。输出端的SNR按照最大比值合并理论即为支线SNR的和，但这需要假定在信道内部只存在正交编码的高斯白噪声。通过文献参照，我们对基于DS-CDMA系统环境下的RAKE设备性能进行了模仿，以下为模仿的流程：A：将随机生成的15位比特数分配给每个用户。B：单用户各拥有一个PN生成序列。C：将AWGN噪声加入信道，并基于时间延迟模式产生多个衰减模式的多路径信道。图1.1 RAKE接收机的实现框图本设计中的RAKE接收设备为图2.1所示，这里面的分别代表了L个信号接收终端，基于与发送端相等的PN序列产生的多个差异性合并因子通过相关器发送至加法器进行合并发射。单个多路径输送信号的延时和衰减因子，均有不同，在接收端，衰减因子的再次获取可以通过相关器Correlator来完成。基于对应的延时和衰减可以对RAKE接收设备的接收端信道路径的大概规模进行估算。当延时和衰减系数被估算出来以后，首个用户的数据可以通过与发送端相等的PN序列来进行估算，然后通过最大比值合并原理MRC将多个路径的传输信号加以合并成为具备新序列的信号。我们在实验中采用的是具有10毫秒传输间断的瑞利信道，且信道和用户之间的数量相匹配，单个路径的延迟时长为10毫秒的整数倍且不具备一样的衰减模式，但是信号在发射端处会按照设计通过BPSK编码进行发送，虽然具体信道的信息不会被接收设备所感知，但是接收设备对于信道的传输延时和衰减依然可以基于PN序列来进行估算。假设最大的时延，路径数目。实验结果如图1.2所示。由此可知在加装RAKE接收设备以后，信号传输过程中的误比特率明显降低，信号接收质量有了显著提升。图1.2 有RAKE接收机和无RAKE接收机的BER2 发射分集技术在3G中的应用2.1 研究背景及意义在无线电通信过程中，信道衰落的状况一般都通过天线分集的模式进行规避。以往的天线分集只是在以移动塔台为主的接收端口架设多个用于分集接收的天线，并且通过一定技术手段来提升信号接收质量标准。但是，同等强度信号的接收会因为移动塔台的规模限制而难以满足，而且加装设备会带来过高的投入，所以，传输分集技术就在基站端被大量应用了。所谓的发射分集，是指通过多根发送天线将信号同时予以发送，并且这些信号的衰落状态在不同的信道中有着不同的表现，接收端将会把这些信号加以组合以降低衰落带来的影响。相比于移动塔台，通信基站有着更大的空间和更少的接受限制。所以基站内部存在根天线，并且专门有一根用于接收的天线。这样一来发射分集的建设投入要远远低于接收分集，而且若干个移动基站的发射增益会因为相同的发射信号而同步获得（也就是一点对多点的输送模式）。而在以前，信号分集发射增益只能被一个移动接收塔台所获得。2.2 发射分集技术分类有多种类型的发射分集。根据是否需要反馈，将其分为前馈分集和反馈分集。它通常也被称为开环发射分集和闭环发射分集。开环发射分集又分为空时发射分集、延迟分集、时间转换发射分集、相移发射分集、相位结合发射分集、正交发射分集、极化分集。闭环发射分集为选择发射分集、Pre-Rake分集、发射自适应阵列等。 2.3 3G中的开环发射分集在第三代移动通信系统中，开环发射分集通过先期架设的多天线分集模式来实现不存在另外信道成本的接受增益，而且这样可以降低移动基站的复杂化。但是信道内的信号会因此而产生一定数量的浪费。（1）时间转换发射分集该分集状态的具体形式，是在两根天线之间通过恒定的帧转换速度来实现用户传输信号的传送和切换，也就是基于时间间隔来切换天线，时间间隔长短和传送用天线之间存在有限的一一对应关系。比如说，1好天线负责传输间隔为奇数的信号，2号天线负责传输间隔为偶数的信号，也就是如下图2.1。图2.1 时间转换发射分集（2）正交发射分集图2.2 正交发射分集和是正交的长度为128 的Walsh 码(每个码元重复两次) ，、是信道复乘性系数。编码比特bn被分成两路，令xo和xe分别表示奇、偶码元，则天线发射信号为： 移动台接收到的信号为：再使用同样的Walsh码对两路信号进行解扩并将其合并后就可恢复出原来的码元，如图3.2。（3）空时发射分集空时编码(space time coding) 这是克服基于发射分集的无线信道信号衰落的重要方法之一。空时码通过有效地将不同的符号分配给不同的天线并在天线之间增加某种时间冗余来实现前向纠错。空间时间码可以分为两组：分组空时码和空时格码。无论哪种方式，L个发射天线的发射信号可以用一个编码矩阵来表示:图2.3 空时编码列表示天线，每行则对应于调制码元出现时刻，为第i 根天线在第n时刻发射的码元。一个编码矩阵从第k个码元开始，结束于( k+l-1) ，共有l个码元周期，这里l是有意义的码元周期数。STTD则是基于空时编码的开环发射分集。由于能够获得最大的分集增益，这种类型的开环发射分集已经被3GPP 采用，如图2.4。图2.4 STTD发射机xo和xe 分别为奇偶码元，则两根天线上，如图2.4。发射信号为： (2-1) (2-2)接收码元： (2-3)发射信号估计为： (2-4) （4）空时扩频( STS) space-time spreading码元采用多个Walsh码扩频，与STTD 方式类似12。 发射码元表示为 (2-5) (2-6)恢复的数据流为 (2-7) (2-8) 将级联输入解调器进行解调。STS和STTD优于OTD的优点是所有的编码比特都是在所有天线上传输的，所以在解码过程之前也有通过重复编码获得的时间分集。3 MIMO技术3.1 MIMO技术的发展现状频谱资源短缺的现实，现在已经成为了挡在不断飞跃发展的无线通信技术面前的一条拦路虎。因此通信行业的普遍关注焦点已经转移到了对有限频谱资源的高效充分利用的问题上。通过之前的探索成果可知，基站的空间资源可以被多天线技术加以充分利用，而且可以在维持现有系统带宽和发射功率的情况下实现对无线信道衰落的有效规避，让信道容量和系统频谱使用效率得到足够的提升。因此已经具备了成为新一代Beyond 3G/4G无线通信系统关键技术的人前置。MIMO多传输路径系统是无线通信技术最近实现巨大飞跃的标志，因为其在信号收发两端都安置了多根天线，因此也被冠以多天线技术的名字。也算是一种多样性技术的派生产品。全球学界对MIMO的理论，运算模式以及实际应用性能都有着很广泛的探讨，这一技术也成为了无线通信技术的发展新亮点。从历史上来看，多天线技术对抗通信衰落的最早使用者是1908年的马可尼。到了上世纪70年代，基于军方需求的数字信号处理技术实现了高速发展，这也让基于自适应信号处理技术的阵列化天线研究有了更大的实现可能，从而让通信的分集特性和抗干扰特性有了更好地提升。到了上世纪90年代初的时候，越来越多的人发现无线信道容量可以通过加装多根天线的模式来实现。因此Paul和Kaiath在1994年指出：无线信道的容量可以通过在信号收发两端的设备上加装多根天线的模式来实现。在两年后，Roy和Ottersten又提出了对多个用户的同信道信号传输支持可以通过基站内的多根天线来加以实现。此后贝尔实验室也在这里领域取得了许多重大的研究成果，多天线因此实现了巨大的飞跃，并引爆了全新的无线通信技术革命。在MIMO领域，Foshinia将D-BLAST时空分层算法推上了台面。这一算法下，原来的信号数据会被分为若干个可以被独立编码调谐的数据流，这样就可以实现最少40 bps / Hz的频谱利用率。然而这样的编码传输模式只适合带宽较窄的室内内网，并不能对户外移动网络产生作用。在1998年和2003年，Tarokh推出的空时编码技术以及Airgo Networks推出的全球首款MIMO技术集成AGN100 Wifi芯片都有着很重要的意义，AGN100内存在着108Mbps的信道宽度，发展到第三代的True MIMO芯片时，信道宽度已经达到了240Mbps。最近一些年，将OFDM和空时编码技术相融合MIMO理念又被Agrawal等人摆上了台面。3.2 MIMO技术原理通过MIMO技术，空间内部的复用和分集传输增益都可以被系统所获得，传输过程中遭遇到物体反射散射的信号会分化出多条传输路径，而MIMO技术就是将这些传输路径转变为虚拟化的信息子流信道。这样就可以通过单根或多根天线在接收端实现信号接收。单根天线接收到的信号都都是发射信号和干扰信号之和。通过MIMO空时解码技术内部的数学模式恢复信号纠缠，并实现对信号的传送和准确判别。图3.1 MIMO系统原理图空时编码程序处理后的信号会分化为M（k）个子信息流，这些信息子流和发射他们的天线根数之间呈对应关系，空间信道接收端的天线根数也和这些子流数量呈对应关系。基于空时信号处理模式的多根天线接收装备可以对这些数据子流进行进行分化解码，以提高接收过程的容量。MIMO信道和收发天线之间一一对应，并以此形成信道矩阵H，在单个时间段t内的信道矩阵为： (3-1)其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。3.3 MIMO技术的优势巨大的优势是MIMO系统高速飞跃的主要原因。MIMO系统通过多路径传送效应来对抗瑞利衰落。通信质量好坏一般都由多路径衰落来决定，这也是根本回避的问题。虽然MIMO难以实现对多路径信号的消除，但可以通过多路径的空间传播向量来实现对整个信号收发过程的优化。换句话说，如果系统判定两个信号没有关联，那么MIMO就可以实现多路径的空间信号分级接收。MIMO可以实现对频率的更高效利用，在MIMO环境下，信号子流的传输可以通过不断加装天线来完成。若干个信号子流在通道内实现同步传输，并且频率带被所有的信号所占据，这样就可以在加宽频带的情况下提高频谱的利用效率。更高的数据吞吐能力，在MIMO环境下，多根收发天线在一个频道带内产生多个并联的空间信道，信号的传输由互相独立的多个子信道完成。因此只要有着恒定的信号发射功率和贷款，则系统的数据吞吐能力和最小的天线数量之间呈现正相关关系。信号覆盖面更广。在MIMO环境下，反射器创造的发射，折射或者散射等各类波形都可以成为组成信号的部分，让单个子流以及接收天线的覆盖范围都能提高，无线信号可以因此扩展到单个发射设备无法达到的信号覆盖区域。比如信号盲区，这样就可以规避信号盲区。此外，MIMO技术还有很强的抗干扰能力。3.4 MIMO信道模型及信道容量分析3.4.1 MIMO系统模型MIMO即多发射天线多接收天线技术，NT副发射天线，NR副接收天线，系统模型图如下：图3.2 MIMO系统模型MIMO系统输入输出关系可以写为： (3-2)3.4.2 MIMO信道模型无线通信系统的传输性能决定于无线信道的能力规模。无线通信系统内部的信号收发设备之间的传播路径十分繁杂，而且有着很强的时间随机性，难以进行剖析。不同的参考文献对于MIMO信道也有这不同的模型分类，在简要的归纳总结以后可以的到下面几个大类：(1) 宽带模型和窄带模型按照系统的传输带宽可以将MIMO信道模型划分为宽带和窄带两种，一般情况下的MIMO信号检测模型都属于窄带模型，但是宽带模型和窄带模型之间可以通过OFDM技术手段实现转化。一般情况下，宽带MIMO模型会被基于多路径参数添加引发的功率迟滞所影响，因此建模多基于窄带模型。(2) 确定性模型和随机性模型所谓确定性模型主要用于对固定传播环境的精准说明。对于确定性的信道特质选取方法主要有射线跟踪和信道脉冲响应记录两种。而所谓随机性模型则将信道及其流程加以随机看待并通过随机性较高的建模来反应MIMO的统计性质。这样的模型有几何式模型，参数式模型和相关式模型三种。(3) 场测量模型和散射体模型通过对测量数据的检查和对相似信道建模作为依据是MIMO信道的特质。而且可以在这一模型环境下架设信道特性被信号散射特性尽可能地匹配。(4) 非物理模型和物理模型这一模型的依据是非物理化的信道统计性质。这样的模型通常更加便于仿真，也可以为仿真的通信过程提供信道性质的支持。但是该模型对于MIMO传播性质的信道反射过程有着很大的局限性，也就是要决定于测量仪器。还有一种模型就是基于信道物理特性的模型。这样的模型在通常运用时都会将一些MIMO信道内部的重要参数（到达和离开角度以及到达时间）作为信道说明的依据。MIMO技术中的各类信道模型，其应用范围和建模优先成都各不相同，也有这不同的产生和运用方式，因此难以做到绝对的准确分类。接下来就是对每一个分类的模型阐述。按照模型建立过程中是否存在物理意义与否可以被分为物理化模型和非物理化模型两类。3.4.3 MIMO信道容量分析全球化的无线通信容量需求随着蜂窝通信，互联网络和新媒体的不断演进而日益激增。以往的通信系统在收发两端都只有单独的天线，也就是所谓的SISO单传输天线系统。不管是通过调制解调，编码策略或者其他模式，都无法避免无线通信受到的基于无线信道带来的物理限制。这样的状态在现在的无线通信市场环境内尤为突出。所以不断增大无线通信系统的容量是与不断紧迫化的客户无线通信速度需求相匹配的。按照之前得出的信息理论，要想提升无线通信的容量和系统性能就必须将多途径传输技术应用在无线通信系统之中。信道的衰落系数在实际的无线衰落环境下不再恒定，这是因为多路径和时间变化等多重效应所决定的，这个系数将会变成一个随机变量，系统容量也因此变为随机变量。Foschini和Gans从信息论的角度导出了MIMO系统在衰落环境中的信道容量： （3-3） 表示接收信号信噪比；IN表示阶单位矩阵，；H为信道矩阵；det(.)表示矩阵行列式。接收与发射天线数目分别为NR 、NT，H为NRNT阶信道响应矩阵。4 无线通信中的协同技术4.1 协同分集技术所谓的协作其实就是一种产生于客户之间的无线通信模式，更严格点说，协作分集模式应该划入空域分集的范畴，但是又和通常的多天线空域分集之间又有区别。图4.1 蜂窝小区两用户协同场景按照图4.1所展示的两个用户的协同场景中两个用户实现以基站为目标的数据传输过程。首先，用户按照某种模式获得对方的传输信息，然后将这个信息通过自身信道实现以基站为目标的传输，这样，相同的信息到基站的传输过程就可以通过两个独立的信道完成以实现分集。 4.2 协同多点传输/接收技术通常通过两个步骤来完成协作传输：首先，广播模式为1号用户的主要信号发送模式（实线）。2号用户和通信基站受到信号，2号用户处理信号。这时候的2号用户起到的是1号用户中继台的角色。接下来，2好用户将处理完毕的信号传输到基站（虚线）。而1号用户在同一时间既可以反复发送同一信号到基站也可以将新信号发送到基站。最后，基站将两条通过独立衰落途径传来的信号进行合并。在2号用户主动发送信息的时候，1号用户也可以充当中继台。图5.2 协同传输过程4.2.1 协同与中继的区别虽然协作通信技术是中级信道的衍生物，但其与中继信道之间有着很多的差异。第一，协作信道技术主要是处于规避多路径衰落的目的而在衰落信道中使用，而中继信道的使用对象则是AWGN频道。第二，中继信道中的中继站点存在的目的只是为了辅助信号发射点传送信息，而且协作通信过程中系统仰仗的固定的资源，每一个用户都既可以成为帮助信号发送点发送信号的中继站点，可都可以成为信号的发送站点。这也就决定了协同通信技术的不同侧重。基本化的协同通信技术理念为：基于多个用户的无线环境内部的相邻单天线用户可以按照一定模式对彼此的协同天线传输活动予以共享，因此就可以通过虚拟化的多天线传输环境来提升信号传输质量，这样的传输模式将分集和中继两种传输技术的优势融为一体，构成了分布式的拟态MIMO系统，从而规避了距离之类局限，在传统化的通信网络内部，无需增加天线数量就可以与传输增益类似的多天线和多层级信号输送。之所以被称为MIMO，是因为存在于协作通信系统内的每一个中继点都可以本身就是一个虚构的天线阵列，节点之间实现协同信息交换，以实现一般MIMO环境的拟态化存在和联合空时编码传输方案的实现。而且目标节点可以同时实现对信号原点发出信号以及中继节点信号的通不接手机。并对这些信号进行基于无线传输及信号本身质量的相应处理，以此实现对分集增益和数据传输速度的提升。4.2.2 协同分集中的信号处理方式协同分集中的信号处理方式有非自适应和自适应两种。(1)非自适应：放大前传(Amplify-and-Forward，AF)，如图4.3，解码前传(Decode-and-Forward，DF) ，如图4.4。(2)自适应：根据信道状态自动调整发送数据 图4.3 放大前传网络内的每一个用户都可以接受合作方发出的包含信道噪声在内的信号，并且在将信号放大后加以送出。基站会将两个用户传来的信号加以接受以后做出决策。虽然信号放大的同时也扩大了噪声规模，。但是基站收到的仍然是两个通过独立衰落信道发来的信号，因此接收性能大大提高。前置化的信号协作放大模式被Lanelnan等学者在针对未预测编码的放大误码率的运算之后加以剔除，而且他们通过研究证明，虽然协作者将噪声和信号都进行了方法传输，但是和非协作式的方法相比，这样的方法模式仍然有着很高的性能效益。所谓的解码前传，指协作方将协作伙伴传输的数据进行检测和接受解码，并且将符号的估计运算结果加以前传的过程。 图4.4 解码前传DF状态下的中继点将首先解码接收信号，并在传输前对信号在此编码。但这就会让中继点存在错误接受信号的可能，尽管这样的状况可以通过纠错编码来规避。所谓的解码前传有下列两类：一类指的是在中继点免除多余的循环校验(cyclicRedundantcheck，cRC)，将可能出现错判的数据直接前传，也就是DF无校验协同。另一类就是在中继点进行多余的循环校验，数据需要前传与否由校验结果决定。因此被称为DF有校验协同。 4.3 协同多点传输/接收技术G化的移动通信技术演变趋势，让身为跨小区便捷边界用户干扰（Inter-cell Interference，ICI）的协同中继及其多点传输技术（Coordinated Multi-Point transmission/reception）成为了炙手可热的研究焦点。多小区环境下的MIMO技术的主要应用方式就是CoMP，其主要理念就是让数据传输活动基于空间信道差别进行，同时通过跨小区的干扰处理来实现同频组网以及跨小区之间通信干扰的规避。工作原理具体而言就是通过协同化的通信基站共同处理或者规避干扰信号，或者通过干扰信号和有用信号之间的转化来提升小区边界用户的吞吐量。可以说单小区MU-MIMO的跨小区派生品就是CoMP系统。图4.5 COMP系统示意图基于图4.5可见，单个eNode B实现了对若干个小区的操控，且单个小区内部又有着若干个对应相应扇区的RRE（remote radio equipment）。实现数据收发功能的多根天线阵列安装在RRE上，从被调度的用户（UE）角度上来说若干个RRE同时服务自己，且这些RRE的控制者为单个或若干个不同的 eNode B。如果UE未受调度，则只用所处扇区的RRE可以为其服务。 按照协同范围来看，一般情况下的CoMP 可以分为 Intra-eNode B 和 Inter-eNode B。所谓的Intra-eNode B是指单个 eNode B 囊括了整个协同范围的小区，因此跨小区的信息共享可以被认为如图4中UE1一样同步精准，所谓的Inter-eNode B是指协同范围内的小区分属不同的eNode B，且不同的eNode B之间的通信是通过X2接口完成的，底层的通信是通过光纤，因此跨小区的信息共享会产生如图4.5中UE一样不精准或者迟滞的状况。因为此项技术需要大量的跨RRE共享数据，UE信道状态以及调谐等多种信息，因此需要很高的信息共享水准，这一切通过Intra-eNode B更容易办到。如果从传输方案角度来看，CoMP下行传输方案正好和目前有关COMP的三大3GPP研究技术相匹配。也就是：联合发送技术（Joint Transmission， JT）、动态小区选择技术（Dynamic Cell Selection， DCS）和协同波束成型技术（Coordinated Beamforming，CB）。(1)JT技术 如果CoMP下行传输时所依赖的某个UE被调动，则协同传输的RRE会将相同数据发送到UE上，这就是可以实现干扰信号有用化以实现跨区干扰规避的JT技术，这一技术就可以提升小区边界用户的信号接收水准，图4.5所示就是该技术的协同传输方案28】(2)DCS技术JT技术中的一类特殊情况就是DCS技术，在这里，UE在被调动后会给eNode B发送相关反馈，eNode B会根据这些反馈基于一个RRE发送回馈数据给UE，但是发送回馈的UE只有一个。一般情况下，该技术和JT技术可以被称为JP联合处理技术。该技术的示意图为图4.6。 图4.6 DCS示意图(3)CB技术在该技术所涉及的传输方案内部，用户的反馈信息被eNode B收到以后会选择一个固定的RRE给用户发送数据，而其余的写作RRE也会同样给其他的被调度用户发送数据。eNode B控制的RRE发送的数据要基于可能对其他RRE的数据干扰来进行调谐，通过调整信号波束走向来规避较大的干扰波束，以保证不会干扰其他区域内的UE。图4.7 CB技术示意图5 3GPPLTE标准MIMO技术5.1 引言从上世纪90年代开始，移动通信技术就始终没有放慢发展的脚步，人们的生产生活已经越来越离不开移动通信，不断膨胀的客户数量让移动通信技术的发展活动不断面对新的挑战，从第一代的模拟移动通信到现今的第三代数字移动通信， 每一代的技术及其应用都实现了巨大的跨越，现在的通信手段已经呈现出了宽大化和移动化的发展趋势。基于移动通信市场潜力大蛋糕的吸引力和低投入高带宽技术的全面铺开，以往非传统移动领域的通信商也加入了移动通信职场的竞争中，并由此引爆了全新的“SKYPE”业务运行模式。这样基于语音和短视频的移动通信业务可以基于投入几乎为零的无线宽带网络让消费者享受到零花费的移动通信服务。全新力量的代表运行商给传统的移动运营商造成了严重的市场威胁，也提升了网络革命的速度。因此不断通过推出新的通信服务来满足用户需求成为了移动通信运营商在市场站稳脚跟的唯一手段，出于迎战诸如WIMAX和WiFi这样的全新无线宽带技术的需要，3G宽带无线市场的竞争力必须提高从而保证未来十年自身的市场竞争力。因此,3GPP组织在2004年底正式上马LTE项目并针对LTE开展了长期画的UTRA技术探讨，从而实现了3G到B3G再到4G的网络升级。LTE技术实现了OFDM正交频分复用技术和MIMO技术的关键性融合，这里面的OFDM可以对无线新到内部的多路径迟滞扩展产生的好干扰加以规避，从而让从复杂时域到简单时域的信道处理更加均衡。而MIMO技术则主要用于为多途径多样化的时空和频域信号传输提供相应的副本。接收端在进行解码时同时以接收信号及其副本作为依据以提升通信传输可靠程度，所谓的MIMO多路复用就可以在不增加功率和带宽的情况下通过多个天线的多路复用信号传输来让频谱利用率实现几何级数增长。3GPP LTE将更高的数据传输速度，覆盖面及系统容量，和更少的时间财力投入作为自身的演进目标，其主要的性能目标包括：基于20MHz宽带实现下行 100Mbit/s和上行 50Mbit/s 的峰值速率;（2）让小区边界客户有更好的信号传输体验；（3）扩充小区信号容量；（4）规避系统迟滞：用户内部平面单向传输迟滞时间小于5微秒，控制面板的睡眠激活迁移小于50微秒，驻留状态激活时间小于100微秒。（5）信号传输覆盖半径达到100公里。（6）时速350公里的高速移动客户接入服务超过100kbit/s；（7）频谱是否成对均可支持，且实现 1.2520MHz 多种带宽的配备。5.2 LTE MIMO分集与空间复用时空，频率和功率是无线通信系统所使用的主要资源。其中空间和频率资源在B3G/4G环境下得到了再次的利用开发，从而实现了系统性能的提升，在收发两端的设备商使用MIMO技术及多根天线可以让空间域足够扩展并以此特性扩充了系统容量，从而成为了LTE系统的真正核心。5.2.1 LTE MIMO分集在3GPP LTE中,涉及到了多天线分集方法,发射分集和接受分集。发射分集中在这里介绍几种常用的分集方法:（1）循环时延分集这是一种简易的发射天线技术，最早的的DD延迟分集是由Wittneben在1933年提出的。后来，DD技术被修改为适合在OFDM系统的时域操作。由于该技术使用循环移位而不是简单信号延迟，它被称为循环延迟分集（CDD）。原理如图5.1。图5.1 循环延时分集这一技术再后来被赋予了匹配OFDM系统的时域操作功能。基于该技术是采用的循环移位而非直接的信号迟滞，因此被称为CDD循环延迟分集。图5.1即为其原理。CDD技术的最早运用存在于MIMO-OFDM系统之中，通过让每根天线不断传输带有不同循环延迟的同等数据来实现分集增益提升。也就是说将单纯的MISO信道转化成了登喜ODE单出入SISIO信道。这样的转化既可以让信道的数目和频率可选度加以提升，也可以基于从空间分集到频率分集的转换提升瑞利多路径衰落状态下的系统性能。这一技术拥有两大优势：其一，CDD可以基于适合的信道编码获取所有MIMO系统内部的空间分集和多路径信道分集；其二，在统一的编码格式下可以允许多个发射天线同时存在。（2）空时分集发射图5.2 空时发射分集按照图5.2可知，经过STBC空时分组码编码的数据被截为两段，1号天线上的数据流等同于原数据流，而2号天线上的数据流与原数据流之间成共轭或者反向关系，且顺序也发生了变化，不同的天线同时发射编码矩阵的单列符号，单个天线上发射的坐标符号与其他任何一个天线上发射的符号都成正交关系。调制符号通过空式分集被映射到由不同接受天线在不同时间组成的时空区域内从而提升分集增益，这也是客户广泛欢迎的原因。空时分集发射利用空间分集和时间分集，能够有效地对抗信道衰落，从而提高系统的传输性能和容量。（3）空频发射分集图5.3 空频发射分集原理按照图5.3可知，空频发射分集与空时发射分集较为相似，唯一的不同在于空频发射分集要通过SFTD对信号进行OFDM编码，每一个符号都要在不一样的频玉空域重新编码，相同数据通过不同的子载波加以运送来获得分集增益。这一技术在现时应用的LTE发射分集技术中应用较为广泛。在任意情况下，只要在单个固定时刻有一个足够的高强度信号副本传输到接收设备上，都可以基于这一技术提高信噪比。 5.2.2 空间复用图5.4空间复用原理图如图5.4所示，发射的高速数据被分成若干个并行的低速数据流，并且同时从相同频带的多个天线发射。由于多径传播，每个发射天线为接收机产生不同的空间特征。接收器使用这些不同的签名来分离出独立的数据流并最终将其复用到原始数据流中。因此，空间复用可以使数据传输速率加倍。 在LTE系统中，当UE快速移动时，不会获得信道质量信息，并且可以通过使用发射分集技术来获得链路分集性能。发送分集对于延迟敏感的服务也是有用的。然而，发送分集不能增加峰值速率，因为发射分集只能传输单个码流。通过利用MIMO空间复用技术，在eNB和UE之间传输多个数据流，eNB的多个发送天线和UE端的多个接收天线能够获得更高的峰值速率。因此，通过利用更大的传输带宽和更高阶的调制方式，LTE系统利用MIMO空间复用技术可以获得更高的峰值速率。因为UE在良好的信道条件下能够从多个数据流获得增益，故MIMO空间复用技术能够提高小区容量和吞吐量。5.3 SU-MIMO与MU-MIMO5.3.1 下行SU（单用户）- MIMO下行SU-MIMO是大幅度提高单用户下行峰值速率以及LTE系统下行频谱效率的重要手段。LTE系统的下行SU-MIMO是基于预编码技术的MIMO方案，它由发射端的预编码及其对应的接收端匹配滤波组合形成，预编码矩阵根据时空信道特征获取。其主要特点有：(1)目标：增加用户数据速率。(2) 一个用户同时接受不同的数据流。(3) 当用户占用信道条件良好时，传输效率是较高的。很明显，基于预编码技术的SU-MIMO多流传输收发信机方案，等效于将多个子流在空间上彼此正交的特征信道中进行传输而互相完全没有干扰。实际应用中，多流的发射功率可以采用注水的方式以获得功率效率最大化。一些奇异值比较小（甚至为零）的特征信道根据注水原理将不会获得任何功率分配，这也是LTE协议中SU-MIMO发射“层”数可变的重要原因。5.3.2 下行MU（多用户）-MIMO下行MU-MIMO也是一种空分多址（SDMA）的复用方式，系统则使用相同的时频资源块同时向多个终端发射不同的信号。下行MU-MIMO也是大幅提高LTE系统下行频谱效率的一个重要手段，但无法提高单用户峰值速率。下行MU-MIMO的情况比较复杂。不同终端的接收天线数也不尽相同，因此不同接收天线数的终端对于MU-MIMO发射信号的正交性要求也不一样。多天线接收的终端能够对一定程度的混合信号进行联合检测，恢复自身信号；而单天线接收的终端需要依赖系统侧发射端对信号进行尽可能的预正交，以降低空分多址信号的互干扰。下行MU-MIMO还可以与下行SU-MIMO结合起来应用，以最大限度的提高LTE系统的下行频谱效率，并兼顾单用户峰值吞吐量。5.3.3上行MU（多用户）- MIMO上行MU（多用户）-MIMO实际上是一种空分