5G时代的重要支撑——大规模MIMO,到底是个啥东西?_新闻资讯_河南光迅网络技术有限公司

栏目导航

热门业务

联系我们

全国统一服务电话:

18790395164

地址:河南自贸试验区郑州片区(郑东)金水东路80号绿地新都会9号楼31层3107室

业务咨询

新闻资讯 当前位置:首页 > 新闻资讯

5G时代的重要支撑——大规模MIMO,到底是个啥东西?

 来源:河南光迅网络技术有限公司 日期:2019-10-08 11:10:58

        MIMO(Multiple-Input Multiple-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,从而改善必威棋牌下载质量。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、被视为下一代移动必威棋牌下载的核心技术。

原理

       多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)是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,从而改善必威棋牌下载质量。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、被视为下一代移动必威棋牌下载的核心技术。

图1 MIMO系统的一个原理框图

图1图1

图1是MIMO系统的一个原理框图。发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去,接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。根据空时映射方法的不同,MIMO技术大致可以分为两类:空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去,同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号,从而获得分集提高的接收可靠性。举例来说,在慢瑞利衰落信道中,使用一根发射天线n 根接收天线,发送信号通过n 个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的,可以获得最大的分集增益为n 。对于发射分集技术来说,同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n 根接收天线的系统中,如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落,可以获得的最大分集增益为mn。目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时分组码(Space Time Block Code,STBC)和波束成形技术。STBC是基于发送分集的一种重要编码形式,其中最基本的是针对二天线设计的Alamouti方案,具体编码过程如图2所示。

图2 Alamouti 编码过程示意

图2图2

可以发现STBC方法,其最重要的地方就是使得多根天线上面要传输的信号矢量相互正交,如图2-19中x 1和x 2的内积为0,这时接收端就可以利用发送端信号矢量的正交性恢复出发送的数据信号。使用STBC技术,能够达到满分集的效果,即在具有M根发射天线N 根接收天线的系统中采用STBC技术时最大分集增益为MN。波束成形技术是通过不同的发射天线来发送相同的数据,形成指向某些用户的赋形波束,从而有效提高天线增益。为了能够最大化指向用户的波束的信号强度,通常波束成形技术需要计算各个发射天线上发送数据的相位和功率,也称之为波束成形矢量。常见的波束成形矢量计算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根发射天线采用波束成形技术可以获得的最大发送分集增益为M。空间复用技术是将要传送的数据分成几个数据流,然后在不同的天线上进行传输,从而提高系统的传输速率。常用的空间复用方法是贝尔实验室提出的垂直分层空时码,即V-BLAST技术,如图3所示。

图3 V-BLAST 系统发送示意

图3图3

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统是一项运用于802.11n的核心技术。

802.11n是IEEE继802.11b\a\g后全新的无线局域网技术,速度可达600Mbps。同时,专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的,它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。

优点

编辑


       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(SISO)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。

  • 提高信道的容量

  • 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。

  • 提高信道的可靠性

  • 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,可以显著克服信道的衰落,降低误码率。

    潜力

    编辑


          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。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。

           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,从而实现高的必威棋牌下载容量和频谱利用率。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。

          系统容量是表征必威棋牌下载系统的最重要标志之一,表示了必威棋牌下载系统最大传输率。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必威棋牌下载系统的容量具有极大的潜力。

    理论容量与天线数关系:

    图4-4图4-4

    (1)图4-4所示的四条信道容量曲线的发射天线数量 都为4,以接收天线数量 为横轴,信噪比依次为0dB、5dB、10dB、15dB。从这四条不同的曲线我们可以得出结论:

    1.发射天线数量一定,信噪比不变时信道容量随着接收天线数的增多而增大,且增大的幅度越来越小。

    2.发射天线和接收天线的数量均相同,信道容量随信噪比的增大而增大。

    (2)图4-5所示的四条信道容量曲线的接收天线数量 都为4,以发射天线数量 为横轴,信噪比分别为0dB、5dB、10dB、15dB。从这四条不同的曲线我们可以得出结论:

    1.接收天线数量一定,信噪比不变时信道容量随着发射天线数的增多而增大,增大的幅度会越来越小。

    2.当发射天线数大于接收天线数时,信道容量增大的幅度会大幅度减缓,当 >10以后,信道容量基本上就没有多大变化。

    由上述结论我们可以看到信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以在不增加带宽和天线发送功率的情况下利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,证明了MIMO信道系统理论的正确性。