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1、MIMO系统天线选择方法的研究 李于衡 2004年12月20 日 主要内容 1引言 2多径技术MIMO系统的天线选择 3空分复用MIMO系统的天线选择 4效果和结论 多天线MIMO(multiple input multiple output) 利用了多个发射和接收天线有效提高 系统性能。在采用相同的频率和时隙、不增加 发射功率和带宽的前提下，对于准静态、平坦 衰落信道，只要接收天线数大于发射天线数， MIMO 系统容量随发射天线数的增加而线性增 长 1. 引言 由于MIMO系统的发射机和接收机同时使用所有的天线 发射或接收，这就要求收、发端使用与天线一样多的射频 链路（如低噪声放大器、模/数
2、转器、混频器等）由于多径 衰落，一些天线发送和收到的信号可能不是最佳信号，就 会降价MIMO系统的整体性能。考虑到与射频部分相比， 天线振子成本很低，如果收、发端的天线数目比MIMO系 统的射频链路多，MIMO系统可以从中自动选择与收、发 端射频链路数目相匹配的最佳收、发天线，使MIMO系统 的每一路射频链路都工作在最佳状态，自然就能获得最大 MIMO系统容量，降低了射频链路数目，减少了系统的成 本。随之而来的问题就是如何选择发射天线和接收天线的 1. 引言 (续1) 有两种类型的MIMO：多径接收（diversity）和空分复 用（spatial multiplexing）。多径接收方法通过
3、多个发射 天线和接收天线的多径传输来提高接收信号的信噪比、降 低传输误码率。在接收端，多径接收类似于RAKE接收机 ；空分复用的方法是采用空时编码，同时发送多个独立的 数据流，能成倍地增加系统容量，研究表明：MIMO空分 复用技术使系统的容量随着天线数目的增加而线性增加、 随着信噪比的增加而指数增加 1. 引言 (续2) 2.多径技术MIMO系统天线的选择 多径是说两条或两条以上信道的的衰落相互独立，当信 道空间距离足够大、频率和极化方式相互隔离时，无线信 道就满足这一特性。它表明，多个信道相互独立时，接收 端通过这多条信道接收的信号不可能同时被衰落，它总是 可以接收到高于检测门限的有用信号。
4、这就是说我们总是 可以从中挑选最好的信号。 2.多径技术MIMO系统接收天线选择 图1所示的多径接收系统 ，接收端可以接收几路来自发 射端的信号，每一路信号都有 不同的复数值衰落相关系数 hi(t)和噪声ni(t)，多径合并的 方法可以分为三类，根据最高 SNR信道进行判决；最大比率 合并(Maximal Ratio Combining)，它基于所有路径 最佳线性组合进行判决；等效 增益合并（Equal Gain Combining），它是将所有路 径信号的相位调整一致后直接 相加。 图1 多径接收 2.多径技术MIMO系统接收天线选择(续 1) 除了基于信噪 比判决选择天线外 ，还可以根据接
5、收 信号的包络最大值 来进行判决选择， 后者可能更简单。 同时还可以用前、 后向预测进行判决 选择。 图2 接收天线的选择 2.多径技术MIMO系统发射天线选择 发射天线的选择与接收天线选择一 样，也是选择最大信噪比路径。不同 的是发射天线的选择需要接收端提供 的反馈信息 . 如果有Lt个发射射频链路和Mt个发 射天线（MtLt）、接收端只有一个天 线情况，就首先在Mt个发射天线中选 择Lt个发射天线，在一定发射功率的 前提下，使得在它们的幅度和相位在 接收端的合成产生最大信噪比，这就 要求选择出的Lt个发射天线具有最高 的信道增益。这一方法也叫混合最大 比率传输 2.多径技术MIMO接收/发
6、射天线选择 Mt个发射天线Mr个接收天线 、发送端和接收端分别有Lt个发 射射频链路Lr个接收射频链路。 因此发送端可以同时发送Lt个并 行数据流，为了避免干扰，必须 使用时空码。用H表示MtMr阶 信道矩阵，表示LtLr阶被选的 天线矩阵，它的等效单输入-单 输出（SISO）信道增益可以表 示为， 2.多径技术MIMO接收/发射天线选择(续 1) 其中heq是H的元素，等效信道的信 噪比正比于被选天线矩阵的范数， 因此发射/接收天线的联合选择就是 要选择H矩阵子集，使发射接收信道增 益幅度的平方和最大。这是一件困难 的事，因为先选择最佳接收天线，然 后再选择发射天线，并不意味着整个 系统是最
7、佳选择。目前是用穷举的方 法进行收/发天线的同时选择。 3. 空分复用MIMO系统的天线选择 前面我们讨论了在接收 端得到最大信噪比前提下如 何进行天线选择，现在研究 采用空分复用技术时，在得 到最大系统容量时天线的选 择问题。设有Mt个发射天 线和Mr个接收天线组成的 信道矩阵H是一个MtMr的 复数矩阵 3. 空分复用MIMO系统的天线选择(续1) 采用信道统计特性为Rayleigh 或Rician的块信道模型，接收天线 接收加性高斯噪声，我们将从Mt个发射天线中选择Lt发射个天线、从 Mr个接收天线中选择Lr接收天线。假设每个发射天线的发射功率相等 ，以信道矩阵为变量的信道容量可以表述为
8、 其中是p接收SNR，H是LtLr选择后的信道，I是LtLr阶单位阵， H是H的Hermitian阵。理想的天线选择就是由H构造H，使信道容量 最大。 3. 空分复用MIMO系统接收天线选择 首先假设发送端的天线与射频链路数相等，即Mt=Lt，接收端射 频链路小于接收天线数，从H去掉Mr-Lr行构造矩阵H，以达到最大系 统容量，完成这个任务只能用穷举的方法来完成.有两个近似解法。 一种次最佳方法是对对数函数使用Taylor展开计算，结果表明， 在低信噪比情况下系统容量的计算可以简化为经过选择的信道矩阵范 数的最大化。结合上面的讨论,在低信噪比情况下，以多径增益为条件 进行天线选择和以系统容量为
9、条件选择天线的使用的方法是一致的。 Gorokhov提出另一种递减选择的次最佳方法。它将信道矩阵按 照系统容量损失最小的原则一行一行去掉后构成，该方法运算复杂度 不高，但获得系统容量与用最佳方法得到的系统容量几乎一致。适用 于高信噪比情况。 3. 空分复用MIMO系统发射天线选择 采用空分复用技术时， 发射天线的选择与接收天线 的方法很类似，主要区别是 接收端要提供反馈信息，使 发送端知道信道状态。当知 道发送端信道状态信息（ CSI）时，无线信道的容量 一般来说比不知道CSI时要 高。在完全掌握信道相关特 性后，可以通过“注水策略” 得到信道最大允许容量。 4. 结论 本文讨论了MIMO系统
10、天线的选择策略，采用这些策略 后，MIMO系统只用天线阵中与射频通道数目相对应的天线 个线，就能达到使用与全部天线对应的射频通道数目接收的 效果，能显著降低地MIMO系统硬件复杂度、减少费用并达 到完全多径和提高系统容量。文中给出了两种天线选择方法 ：基于范数方法和连续选择法。前用于低信噪比情况，后者 适用于高信噪比情况。这两种方法既可用于发送端，又可用 于接收端选择天线。 4. 结论（续1） 选择接收天线时,系统中断容量与接收总信噪声比的关系,其中总接收天 线M = 6, 接收端射频链路数N=2和4,中断率为10% 4. 结论（续2） 选择接收天线时,系统中断容量与接收总信噪声比的关系,其中总接收天 线M = 6, 接收端射频链路数N=2和4,中断率为1% 4. 结论（续3） 中断率为1% 、接收总信噪声比为10dB,系统中断容量与可选择总接收 天线的关系, 接收端射频链路分别为2和4 4. 结论（续4） 天线选择带来的好处也受到限制，尤其是系统带 宽大于信道相关带宽时。由于信道存在频率选择性 衰落，在某一频率下选择的最佳选择在另一频率下 可能就不是最佳的了。当然在适度的频率衰落环境 下，天线选择还是能带来很高的增益的。天线选择 的另一个问题是选择开关会带来额外损耗。 谢 谢！
