西北工业大学明德学院本科毕业设计论文
第二章 MIMO技术以及协作分集
2.1 MIMO技术的提出与发展
随着无线互联网多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性亟待提升，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。采用常规发射分集、接收分集或智能天线技术已不足解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。幸运的是，结合空时处理的多天线技术——MIMO(多输入多输出)通信技术，提供了解决该问题的新途径。如图2-1所示，MIMO系统在无线链路两端均采用多天线，分别同时接受与发射，能够充分开发空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。
图2-1 MIMO系统简单示意图
在具有多于一根收/发天线时，在每对发射和接收天线之间将建立不同的信道。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。如果我们假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。天线对越多，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。信道链路的低相关度或者独立的假设可以通过适当的分离收发器两端天线来获得。
MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入了MIMO技术相关
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的内容，B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。
2.2 无线信道及无线信道的分集
2.2.1 无线信道及其分集分类
信道是任何一个通信系统所必不可少的组成部分。无线通信系统主要借助于无线电波在各种介质中的传播来实现通信，因此无线信道的状况对其性能有很大的影响。而无线信道不想有线信道那样固定和可预见，它有很大的随机性，非常复杂，甚至移动台的移动的速度都会对信号的衰减产生影响。无线电波的传播环境非常复杂，例如，简单的室内传播，几千米或几十千米的视距传播，以及经历各种复杂的地物后引起的非视距传播。信号在这种复杂的空间中会经历若干次的反射、折射、散射和衍射，进而带来了各种不同的信号衰落和扩展，再加上一些未知的干扰，都将影响信号的正确接收。
分集是无线通信系统中对抗衰落最有效的技术之一。分集的基本原理是：接受来自多个信道（时间、频率或空间）的承载同一信息的多个独立信号副本，利用接受信号在结构和统计特性上的不同特点加以区分，并按一定的规律进行信号处理。由于各个信号同时处于深衰落的概率非常小，因此一般而言，在任一时刻至少有一个强度足够的信号副本可供接收机使用。相比无分集的情况，可以大大提高多径衰落信道下传输的可靠性。
根据信号的传输方式，分集可分为两类：第一类是显分集技术，可以利用直接提供的多个信号副本，如时间分集、频率分集、空间分集等，很明显这种分集技术会降低传输效率或者增加额外的发射功率。另一类是隐分集技术，信号只被发送一次，但可通过其它途径获得多个副本，如交织编码、CDMA中的RAKE接收技术。利用分集技术时需要对通信链路进行仔细设计。在显分集技术中，需要利用不同频率、不同时间或者不同极化方式来传输同一信号的多个副本。在接收端需要接收不同分集路径所得到的多个信号副本，然后再把这些信号副本进行合并，从而可以提高接收信噪比，达到降低信号的中断概率或者误码率的目的。
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2.2.2 时间分集
时间分集是将同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，则各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的，接收机端可以收到不相干的衰落信号。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。为了保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性，重复发送的时间间隔所需的最小时间间隔要大于或者等于该信道的相干时间，相干时间是信道衰落过程中相干的时间周期的统计测量值。公式表示为
（2.1）
式中，
为衰落频率，为移动台运动速度，为工作波长。
若移动台是静止的，则移动速度=0，此时要求重复发送的时间间隔为无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。
2.2.3 频率分集
频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗衰落频率选择性的功能。在频率分集中，使用许多不同的频率发射相同的信息。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射，所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于频率相干区间，即载波频率的间隔应满足
（2.2）
式中，为载波频率间隔，
为相关带宽，
为最大多径时延差。
如果发射频率的间隔是信道相干带宽的几倍以上，这样就能保证不同频率的衰落统计特性是互不相干的，不同传播环境的相干带宽不同。当信道的相干带宽较小时，频率分集效果明显。
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当采用两个微波频率时，称为二重频率分集。同空间分集系统一样，在频率分集系统中要求两个分集接收信号相关性较小即频率相关性较小，只有这样，才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落，并获得较好的频率分集改善效果。在一定的范围内两个微波频率与相差，即频率间隔越大，两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。经过 测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0．6个波长，并且最好选在1／4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到1／4，也能起到相当好的分集效果。
2.2.4 空间分集
空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。空间分集接收是利用多副接收天线来实现的。在发射端采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离d≥／2(为工作波长)，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时， 其他接收天线的输出则不一定在这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，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。
空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。为了克服这个缺点，近来又生产出定向双极化天线。两个在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关衰落特性。利用这一特点，在发射端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线，在接收端同一地点装上垂直极化和
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水平极化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量
和
，
所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是它只需一根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。空间上的位置分离保证两面接收天线分别接收不同路径来的微波信号，同时也使两面天线间满足一定隔离度的要求。若采用交叉极化天线，同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来
说，天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。
该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性，并且在整个／扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性，代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果，要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性，即两个分集接收天线端口信号的不相关性，决定了双极化天线总的分集效果。
2.3 协作分集技术与协作通信技术
2.3.1 协作分集的提出
3G及其以后的无线通信系统，为了满足多速率多媒体通信的需求，不仅需要提高数据的传输速率，还要提高系统的服务质量。受到无线通信环境的多径衰落的影响，任何通信的过程中移动用户数据都受到严重的信号衰落。为了对抗无线信道的多径衰落，人们不仅采用了改进的信号处理元件如编码、调制、检测还运用各种形式的分集方法。其中，无线环境的特殊性决定了分集方法的重要性。通过在相互独立的信道发送信号样本，分集能有效地对抗衰落，某些特定的发送
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