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MIMO原理及测试
2.2.1 空间分集
空间分集对应于在不同的传输信道发送相对冗余的数据,这样可以提高系统的稳定性。常用的空间分集包含一下几种形式:
(1)接收分集
接收分集是在接收端使用比发射端更多的天线,最基本的接收分集包含2个接收天线和1个发射天线(SIMO,1×2),具体参见图5。
图5 SIMO天线配置
因为不需要特殊的编码方式,因此比较容易实现。在接收端只需2个射频通路。同时由于存在不同的传输路径,接收端可以观察到两个不同的衰落信号。在接收端使用适当的方法,可以增加接收端的信噪比。常用的方法包括开关选择分集和最大比例合并。选择开关分集总是使用较强的信号,而最大比例合并,是使用两个信号之和。具体形式参见图6。
图6 接收分集
(2)发射分集
如果发射天线数目比接收天线数目更多,称之为发射分集。最简单的发射分集形式是用2个发射天线和1个接收天线(MISO,2×1),具体参见图7。
图7 MISO天线配置
在2×1的MISO系统中,两个天线发送相应的数据内容。Alamouti的空时码是应用最广泛的天线编码方式。空时编码可以增加空间分集的性能:信号的副本通过不同的天线在不同的时间进行发送。发送的时延称为时延分集。Alamouti空时编码的实现方式如图8所示。
图8 Alamouti编码
在Alamouti编码中,信源首先被分为两组,每组两个字符。在第一个给定的字符间隔内,每组中的两个字符被同时发射:从天线1发射的信号为S1,从天线2发射的信号为S2。在下一个字符间隔内,信号-S2*从天线1发射,信号S1*从天线2发射。
目前,Alamouti编码已经扩展到多天线系统。当然,Alamouti编码也可以在频域实现,此时称为空频编码。
2.2.2 空分复用
空分复用不仅仅是为了增加系统的稳定性,同时也可以增加传输速率。为了提高传输速率,数据可以分成几个数据流,然后在不同的天线上进行传输。空分复用的天线形式如图9所示。
图9 MIMO天线配置
因为MIMO通过无线信道进行传输,不同的收发天线之间都存在相应的传输信道。同时由于每个传输路径的冲击响应的存在,因此不同的传输信道之间存在相互影响。根据公式2和公式3,如果MIMO系统的传输矩阵H是已知的,那么从接收机可以得到不同天线的数据内容。
2.2.3 波束形成
通过使用不同的天线技术可以明显地增加网络容量。例如,对于不同扇区的天线,每个天线可以覆盖60或120度,作为一个工作小区。在GSM系统中,相比于全向天线而言,采用120度波束天线可以提高3倍的小区容量。
自适应天线阵列可以通过窄带波束实现空间分集。智能天线属于自适应天线阵列的一种。智能天线可以形成一个特定用户的波束,并且可以根据反馈信号实现实时的动态调整。智能天线可包括切换式波束形成和自适应波束形成,可以用于所有的天线阵列系统以及MIMO系统(见图10)。
图10 切换波束形成和自适应波束形成
切换式波束形成可以计算到达角并且切换固定的波束。用户只能沿波束方向才可以得到最优的信号强度。而自适应波束形成可以根据运动的终端而实时地调整波束方向,因此自适应波束形成要比切换式波束形成的复杂程度更高,花费也更大。
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