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第一章 绪 论
无线通信，特别是移动通信在过去的几十年里经历了从模拟通信到数字通信、从FDMA到TDMA再到CDMA的发展过程，前后已经经历了三次技术更新。目前，学术界正在对第四次技术更新进行全面深入的研究，MIMO作为这次技术飞越的一个研究热点，越来越受到人们的重视.
1.1 MIMO系统的概念及发展状况
多输入多输出(MIMO)系统是在无线通信智能天线技术的基础上发展起来的，其主要特点就是在通信系统的收发两端采用多天线配置，以解决未来移动通信系统大容量高速率传输和日益紧张的频谱资源间的矛盾.和智能天线技术不一样的是，在MIMO系统中从任意一个发送天线到任意一个接收天线间的无线信道是相互独立的或者具有很小的相关性.
早在70 年代就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中多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是在90年代由AT&T Bell实验室的学者完成的.1995年Telatar给出了在Rayleigh衰落情况下的MIMO容量，1996年Foschini提出了一种MIMO处理算法———— 对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法; 1998年Tarokh冈等讨论了用于MIMO系统的空时码;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20bps/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.
多径通常会引起衰落，这在普通的通信系统中是非常不利的。但对于M1M0系统来说，多径却可以作为一个有利因素加以利用.图1.1所示为MIMO系统的原理图MIMO技术于发送端和接收端使用多根天线，在发送端串行数据符号流经过一些必要的空时处理后被送到天线进行发射，在接收端通过各种空时检测技术进行数
据符号的恢复。通常为了保证各个子数据符号流能够有效分离，各个天线之间必须保持足够大的距离（通常要求半个载波波长以上），以防止接收信号间过大的相关性。
由于各子数据符号流同时发送到信道，它们共用同一频带，因此并未增加带宽。若发射接收天线间的响应独立，则MIMO系统可以创造出并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地传输数据符号，数据率必然可以提高。
MIMO技术能提高容量和性能的原因主要是充分利用了空间资源。上世纪四十年代末贝尔实验室提出蜂窝概念，并在七十年代进行了实用化，研制成功世界上第一个蜂
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图1.1 MIMO系统原理图
窝移动通信系统AMPS，改变了人们对空间资源利用的观念;后来，研究人员又进一步提出了微小区、微微小区等小区分裂的概念并成功进行了实用化，应用到了GSM, CDMA系统中，以进一步提高系统的容量，并通过空间分集以提高接收性能;但由于小区不能一味地分裂下去，小区分裂的的思想在大容量的需求条件下就变得不可行了而利用空间发送分集技术来提高容量的智能天线、MISO、MIMO等各种空时联合处理技术则是进一步提高系统容量和频谱效率的有效措施。
系统容量指通信系统在一定信噪比条件下所能达到的最大传输速率，是衡量通信系统的重要指标之一。对于M发N收的MIMO系统。假定信道为独立的Rayleigh衰落，则系统的容量可以表示为:
(1.1)
其中，ρ是接收端平均信噪比，H=（hnm） 是信道矩阵，其元素hnm是从发射天线M到接收天线N之问的信道衰落系数。
当M，N 很大，则信道容量C近似为：
(1.2)
其中ρ为接收端平均信噪比，和SISO信道的容量公式相比可以看出，MIMO系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大.也就是说MIMO技术可以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。
图1.2是发送和接收天线数目不断增加的条件下MIMO信道容量随信噪比变化的示意图，显而易见，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力.
时间和频率都是一维的资源，而空间是三维的资源，如果对信号的空间资源
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加以充分利用，则潜力是巨大的.从移动通信的发展过程可以看出，MIMO技术的出现是人们对空间资源逐步开发利用的必然结果，因为M工MO系统较以往的诸如智能天线的方法更能充分地利用空间资源。
简言之， MIMO技术的优点主要是通过多天线的配置来充分利用信号的空间资源，从而达到提高系统容量的目的.在无线频谱资源紧缺的条件下，无疑MIMO技术是提高频谱利用率和数据传输速率的有效方法之一。
图1.2 MIMO信道容量
目前,虽然第三代移动通信系统可以比第二代移动通信系统的速率快得多但仍不能满足未来的多媒体通信需求.在下一代移动通信系统中，人们为了提高系统速率，则需要对一系列关键技术进行研究，移动台和基站软硬件实现的复杂度也会大大增加。研究表明，配有多副天线的移动台的复杂度要比单天线的高出很多。因此，尽管MIMO技术能在不增加带宽和总的发射功率的情况下大幅度地提高系统容量、频带利用率和接收机性能，但在实用过程中也有很多具体问题亟待解决。
1.2 实用空间分集技术简介
我们这里介绍实用空间分集技术的概念主要是因为本论文将要重点讨论的问题
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—等增益合并技术是实用空间分集技术的一种。
分集的概念可以简单解释如下：分集技术是通信中的一种用相对较低廉的投资就可以大幅度改进无线链路性能的强有力的接收技术。分集技术是通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的（或至少是高度不相关的）多径信号来实现的。如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号，可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号进行合并，这样做的好处是它对于接收端的瞬时信噪比和平均信噪比都有提高，并且通常可以提高20dB到30dB。
分集技术可以分为时间分集，频率分集和空间分集。
空间分集，也被称作天线分集，是无线通信中使用最多的分集形式，它分为接收机分集，发射机分集和组合发射机/接收机分集。我们即将讨论的等增益合并EGC（又称等增益分集）就是接收机分集的一种。传统无线蜂窝系统的发射机和接收机天线是由立得很高的基站天线和贴近于地面的移动台天线所组成的。在这个系统中，并不能保证在发射机和接收机之间存在一个直线路径，而且移动台周围物体的大量散射可能导致信号Rayleigh衰落。鉴于以上情形，我们推断出：如果天线间的相隔距离等于或大于半波长，那么从不同的天线上接收到的信号包络将基本上是非相关的。 天线分集的概念也被用于基站设计中。在每个蜂窝小区的中心，为了进行分集接收，装备了多个基站接收天线。但是，由于移动台接近于地面，容易产生严重的信号散射现象，因而在基站处的分集天线必须隔得相当远（通常是波长的几十倍）才能实现信号的非相关。空间分集既可被用于移动台，也可被用于基站，还可被同时用于两者。图1.3所示为空间分集的一个一般结构图。
图1.3 空间分集的一般结构图
空间分集技术中的接收机分集可以按接收方法分为以下四类： （１）选择式合并（Selection Combing）
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（２）开关式合并(Switched Combing) （３）最大比合并(Maximal Ratio Combing) （４）等增益合并(Equal Gain Combing)
我们在本论文中简要介绍以下这四种分集技术，然后重点在比较最大比合并与等增益分集的基础上重点讨论等增益分集。
1.3 论文内容简介
本论文的主要任务就是在研究讨论几种多天线接收技术的基础上，着重讨论等增益合并技术（EGC），并在计算机上模拟实验,分析等增益合并技术的性能特点。考虑到论述的复杂程度，本论文所讲述的等增益合并技术的系统模型是单天线发射多天线接收（SIMO），这也是多天线发射多天线接收技术（MIMO）的一种特例。
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