MIMOUWB综述.docx

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MIMOUWB综述

MIMO-UWB综述

MIMO技术简介

MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put）系统，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-InputSingle-Output）系统，MIMO还可以包括SIMO（Single-InputMulti-ple-Output）系统和MISO（Multiple-InputSingle-Output）系统。

MIMO技术可以简单的认为多进多出（MIMO:

MultipleInputMultipleOutput）技术，是在上个世纪末美国的贝尔实验室提出的多天线通信系统，在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道。

因此我们今天看到的MIMO产品多数都不只一根天线。

可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。

也就是说可以利用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。

利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。

前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。

实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。

ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。

ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。

性能和复杂度最优的就是BLAST算法。

该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。

目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。

常见的空时码有空时块码、空时格码。

空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。

MIMO无线通信技术的概念是在任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。

MIMO无线通信技术采用空时处理技术进行信号处理，在多径环境下，无线MIMO系统可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输速率。

MIMO技术非常适用于室内环境下的无线局域网系统使用。

采用MIMO技术的无线局域网系统在室内环境下的频谱效率可以达到20～40bps/Hz;而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1～5bps/Hz，在点到点的固定微波系统中也只有10～12bps/Hz。

可以看出，信道容量随着天线数量的增大而线性增大。

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，这也是多进多出的最初原理。

空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率.

UWB技术简介

近年来,从10～100m的短距离无线数据业物呈现出巨大的发展潜力,特别是随着无线个域网（WPAN）的升温,这种短距离数据业务迅速膨胀。

现有的实现WPAN的主要技术,如蓝牙（Bluetooth）、HomeRF等,不是速率低就是成本高或者功耗大,无法满足这些日益增长的短距离数据业务的需求。

而超宽带（UWB）无线通信以它高速率、高性能、低功耗、低成本的优点成为未来最富有竞争力的技术之一。

UWB系统一般模型

UWB是指系统带宽（10dB带宽）与系统中心频率之比大于20%或者系统带宽大于500MHz的通信系统[1]。

这种新颖的无线技术与传统的无线技术有着本质的不同。

它不是去寻找可能存在的新频谱资源,而是利用频谱重叠技术去充分分享目前正在使用的频谱资源。

UWB技术在雷达和军事中的应用研究已有数十年的历史,但在商业通信中的应用研究则刚刚开始。

美国联邦通信委员会（FCC）于2002年2月14日通过了一项认可UWB用于民用用途的最终规定,将3.1～10.6GHz频段向商业UWB通信开放;IEEE802委员会已将UWB作为WPAN的基础技术来研究讨论。

2001年4月我国发布的“十五”863计划中把UWB无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为有关通信技术主体研究项目。

与常规无线技术相比,UWB具有抗衰落、抗干扰、容量大、速率高、功率低等突出优点,被认为是无线通信领域具有革命性的技术。

多径衰落是无线通信的一大障碍,传统的技术容易受到建筑物内部及周围多径的干扰,使得无线+传输特性变差。

UWB由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率,不同路径的分辨率可降到纳秒量级,因此对信道多径衰落不敏感,特别适合使用在室内等多径密集的场合。

UWB非常窄的波形使得它有可能从信道的多个反射中被独立地分辨出来,从而使得多径衰落大大减小。

实验表明对常规无线信号多径衰落深达10～30dB的多径环境,对UWB信号的衰落不超过5dB[2],具有优良的抗多径衰落性能。

UWB工作频带宽、携带信息量大,具有极高的数据传输能力。

UWB低功率特性使得它的空间效率很高。

如果利用AdHoc进行组网,可以进一步提高UWB系统的空间容量。

例如,利用多跳路由器,可以减小UWB发射机的发射功率和覆盖区域。

也就是说在一个给定区域,可以有更多的发射机同时工作,这样提高了系统空间利用率,增加了系统的用户容量。

若以每平方米比特率（bps/m2）度量,UWB可达1Mbps/m2,而IEEE802.11a为83kbps/m2,蓝牙为30kbps/m2,IEEE802.11b为1kbps/m2。

UWB抗多径衰落固有的鲁棒性,使得它的发射功率可以很低。

根据FCC的规定,在UWB带宽内,UWB信号的发射功率要小于0.56mW,也就是说功率密度小于75nW/MHz（-41.3dBm/MHz）。

这样,一方面UWB功率低,不会干扰其它通信系统;另一方面,它的信号频谱如同噪声,具有很好的隐蔽性,不容易被截获,保密性好。

UWB扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。

UWB的占空比一般为0.01～0.001,具有比其它扩频系统高得多的处理增益,抗干扰能力强。

一般来说,UWB抗干扰处理增益在50dB以上。

UWB可以实现全数字化结构,具有电路简单、成本低廉等特点。

它只需一个简单的数字电路来产生数字调制脉冲,完全可以集成到一个芯片上。

根据实际应用需求,UWB既可以工作在多用户低速率模式,也可以工作在少用户高速率模式,具有很强的灵活性。

UWB发射功率严格小于0.56mW,功耗只有50～70μW,这相当于蜂窝手机的千分之一,不会影响人体的健康,并且可以大大延长电池的使用寿命。

UWB信号的形式主要有两种:

跳时（TH）信号和直接序列（DS）信号。

TH-UWB采用瞬时开关技术来产生短脉冲或只有很少几个过零点的波形,直接将能量扩展到很宽的频带内。

脉冲由专用宽带天线,以每秒几十至几百兆赫的高速率发射,这些脉冲在时间上以随机或伪随机间隔分布。

对这些脉冲进行时间编码就可以实现多址通信。

DS-UWB采用每秒吉比特的速率发射的高占空比宽带脉冲,该脉冲序列以每秒数百兆比特的速率对数据进行编码,多个编码脉冲表示一个比特,编码增益能提供抗多径干扰能力,在短距离范围内,DS-UWB能提供极高的数据率。

这两种信号在各种环境中的优缺点还有待于进一步研究与实验。

UWB虽然具有抗多径衰落的能力,但它还是受到多径衰落的影响。

例如,当传播距离和天线高度之比过大时,视距信号和反射信号到达的时差可能小于发射脉冲的持续时间,这时多径干扰将不可避免。

因此要对UWB系统的最大速率作出严格限制,使得信号的周期尽可能长一点,确保在下一个脉冲发射之前目前正在传输的脉冲所引起的多径分量基本消失,以减少传输脉冲之间的干扰;同时UWB信号的周期又不能太短,否则在一个脉冲传输过程中信道的时变效应就不能忽略。

UWB采用的是频谱重叠技术,容易对其它同频系统产生干扰。

UWB的发射功率虽然很小,但它的瞬时峰值功率还是比较大的,因此有必要采取一定的优化措施,例如自适应功率控制、占空比优化等,以减少对其它通信系统的干扰。

另一方面,由于UWB系统传输功率很低,且大部分工作在工业区、商业区或者住宅区等一些环境恶劣的场合,容易受到噪声和其它同频无线电的干扰。

如何解决UWB和其它无线电系统的兼容问题是目前UWB的一个重要课题。

例如可以使用软无线电技术,实现UWB接收机全数字化,动态调整数据率、功耗等,使得UWB接收机真正与发射机的频带自适应,提高UWB系统与其它通信系统在同频段共用时的兼容性。

UWB原先用在军事上,大容量、多用户不是它的主要目的。

但在商业通信中大容量、多用户恰恰是它的主要问题,而UWB信道的时域特殊性需要一个合适的调制技术和编码方案来提高系统的用户容量。

理想的UWB接收机是RAKE接收机,但它的复杂性随着多径数的增加呈指数上升,因此一般采用的是次最佳RAKE接收机。

这种次最佳RAKE接收机的性能又是任何?

是否存在其它更好的接收机结构?

这些都有待于进一步的研究。

根据Q.Li和L.Rusch的研究[6],自适应多用户检测接收机能集聚多径能量,在克服符号间干扰和码片间干扰等方面要比4个和8个支路的RAKE接收机好得多,特别是在抗宽带干扰方面,这种接收机具有更多的优越性。

UWB信号覆盖范围宽,频率弥散效应明显。

在频段的低端和高端信号有着不同的失真、频散及损耗。

另外高速器件的成本要比低速器件贵得多。

采用信道分割技术可以有效地克服这些问题。

通过信道的分割技术还能避免与无线LAN使用的5GHz频带的干扰,不同区域可分配不同的波段、确保信号的轻松传输。

在UWB产品的天线设计方面,要求是微型、在各种条件下能正常工作（例如靠近物体或放在身边）,具有超宽频带和一定增益。

而UWB信号的带宽很宽,根据自由空间传播定理,频段的高端和低端增益相差大约11dB。

所以实现高效的UWB天线,尤其在尺寸很小时,困难重重。

总之,我们面临的挑战很多,许多课题有待于我们去解决。

例如,在产业化方面,还要考虑系统成本的优化、覆盖范围的大小、数据速率的高低、电池寿命的长短、信道特性的变化等。

MIMO-UWB技术

将MIMO技术用于UWB系统具有很高的链路可靠性和速率适配能力，与窄带无线通信系统不同，UWB系统中多径衰落的影响要小得多，因为UWB非常窄的脉冲在多径传播时引起大量独立的衰落信号分量能够被分辨，从而能实现有效的多径信号分集接收。

MIMO-UWB系统能够在时域上很好地解决有害的码间干扰和信道间干扰问题，原因在于接收信号具有良好的自相关及互相关特性[9,10]。

近年来，国外开始进行MIMO技术在超宽带系统中的应用研究，本文对MIMO-UWB方向的国内外研究结果进行综述，包括MIMO-UWB系统的多址技术、发射链路技术和接收与检测技术等。

如前所述，UWB系统在很低的功率谱密度的情况下，已经证实能够在户内提供超过480Mbps的可靠数据传输。

与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB具有巨大的数据传输速率优势，最大可以提供高达1000Mbps以上的传输速率。

UWB技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。

随着MIMO的技术的出现，一种利用多个发射天线、多个接收天线进行高速数据传输的方法已经被提出，并成为未来无线通信技术发展的一种趋势。

最早提出MIMO概念的是Telatar和Foschini，其中Foschini等人提出的BLAST结构是典型的利用MIMO技术进行空间多路复用的技术。

已经证明，具有M个发射天线以及P个接收天线的MIMO系统，在P≥M的情况下几乎可以使得信道容量提高到原来的M倍。

近年来，国内外开始进行MIMO技术在超宽带系统中的应用研究，出现了一些研究结果，但都还是处于起步阶段，还没有特别成熟的研究成果。

MIMO系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。

因此可利用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。

MIMO技术成功之处在于它能够在不额外增加所占用的信号带宽的前提下带来无线通信的性能上几个数量级的改善。

如下图所示为MIMO-UWB系统的模型和UWB的一般系统模型相比较在信号调制之后加入了多路技术，在时域上很好的解决了有害的码间干扰和信道间的干扰。

通过功率控制有效的提高了系统的功率利用率。

在多用户环境下，假设MIMO-UWB系统有Nu个用户，每个用户都有Nt个发射天线，同时有Nr个接收天线。

将每个用户的发射信息划分成b比特一组，以一个符号来发送，这样就需要M=2b个符号。

进一步再将符号划分成Nb个一组，每组符号编码成一个空时码，并且在K个时隙的时间长度中通过Nt个天线将这个空时码发送出去。

显然，这种编码的效率为R=Nb/K。

每个空时码矩阵都是一个K×Nt的矩阵，记做Du，该矩阵的第K行，第i列元素diu（k）是第u个用户在第k个时隙通过第i根天线发送出去的一个M进制码元。

也就是说空时码矩阵的每行都对应着发射时隙，每列对应着发射天线。

发射机将空时码矩阵中的每个元素diu（k）转换成UWB信号

，通过天线发送出去。

形成什么样的UWB信号

需要综合考虑选用的多址方式和调制方式。

其中有TH-MPPM，TH-BPSK，DS-BPSK。

MIMO-UWB系统的天线选择：

多天线（MIMO）技术能在不增加带宽和发射功率的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，因而成为新一代移动通信系统的关键技术及热门研究课题。

MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线，利用无线信道的多径特征来抑制信道衰落。

MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率，同时可提高信道的可靠性，降低误码率。

MIMO系统在收发两端使用多个天线，每个收发天线对之间形成一个MIMO子信道，假定发射端有M个发射天线，接收端有N个接收天线，则在收发之间就形成了N×M的信道矩阵H，在某一时刻t，信道矩阵H为：

其中H阵中的元素为任意一对对应收发天线之间的增益。

对于信道矩阵参数确定MIMO信道，假定发送端不知道信道信息，总的发送功率为P，与发送天线的数量M无关;接收端的噪声用N×1矩阵n表示，它的元素是静态独立零均值高斯复数变量，各个接收天线的噪声功率均为σ2;发送功率平均分配到每一个发送天线上，则容量公式为：

固定N，令M增大，使得

则容量公式近似可以表示为：

从上式可见，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。

因此可利用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。

MIMO技术成功之处在于它能够在不额外增加所占用的信号带宽的前提下带来无线通信的性能上几个数量级的改善。

MIMO-UWB系统的天线选择算法在MIMO-UWB系统的多路技术中使用一种改进的天线选择算法，该算法是一种递减的算法，最早是由S.Vijayakumaran博士于2006年提出的。

在

MIMO-UWB系统中假设发送天线数量固定，在Nr个接收天线中选择Lr个天线构成新的信道矩阵Hw。

其中ih是第i行的向量。

用集合w={w

（1）,w

（2）,,w（Lr）}表示的天线子集。

相应的信道矩阵由

集合中元素值所指示的H中的行向量组合而成，例如w={1,3}表示由

的第i行第3行向量组成。

接收天线选择后的信道容量

在集合

中选择一个子集w，使得C（Hw）最大。

最优的方法是搜索可能的组合，这样可以得到最大的容量，但是对每个信道都要计算Nr次（4-23）式，所以基本不具有实用价值。

然而用奇异值表示的信道容量见式（4-24）:

其中r是Hw的秩，

是Hw的第i个奇异值。

从（4-24）式中可以得出结论：

如果r大并且每个奇异值也大，可以得到较大的信道容量。

在H中选择Frobenius范数大并且相关性较小的行向量，组成Hw。

定义向量i,j间的相关系数为：

选择一行删除，集合w删除一对的元素。

直到删除掉Nr-Lr行，使H变成Lr×Nr的矩阵Hw。

设计行向量的删除规则，使剩余的行向量的范数大，并且向量之间的相关性小。

这里定义删除第m行的信道范数相关系数为：

其中n代表第n次天线删除选择，m是集合w中的一个元素，w（i）表示集合w中去元素m和第i个元素后剩余的元素组成新集合中的第j个元素。

该系数表达了从集合w中删除元素m之后剩余矩阵各行的范数和相关性的一个度量。

天线选择的规定意义为：

每次在剩余的w中选择一个元素m,使

最大。

这样新选择出的接收天线使Hw的各行具有较大的范数并且各行之间相关性较小，具有较大的范数。

计算过程如下：

（a）初始化n=1，计算

和

。

（b）在删除第n根天线的选择中计算

，选择m使

。

（c）在集合w中删除元素m更新集合w。

（d）n=n+1,循环（b）、（c）、（d）步骤，直到n=Lr。

很明显该算法是一种次优算法。

其优点是计算简单，不存在任何的矩阵运算。

主要在计算集中的相关系数η的计算上，初始化中完成系数的计算后，再循环中就不需要在计算了，所以算法复杂度非常低。

新算法不仅适合接收天线算法而且适合发送天线选择，在发送链路数Lt和链路数Lr不相等的时候，该算法也同样适用。

收发联合选择是在发射端和接收端同时应用选择分集。

如有M根发天线，N根接收天线，发送和接收端分别有m和n个RF链。

总的信道矩阵H=M×N，选择天线的信道矩阵为H′=m×n。

通常要使用空时码进行分集，如图

采用改进天线选择算法后，系统不仅保持了MIMO系统很好的分集效果，而且可以降低系统编码的复杂度和射频电路的硬件成本。

MIMO技术和UWB技术都是现在移动通信领域非常重要的两个研究课题。

UWB技术可以提供高达1Gbit/s的数据传输速率，可用在数字家庭网络办公网络中，实现近距离、高速率数据传输。

MIMO系统利用来自一个信道的多个输入和多个输出。

这些系统是用空间分集和空间复用定义的。

空间分集为Rx和Tx分集。

信号的副本从另外一个天线发送或在多个天线处接收。

采用空间复用，系统能在一个频率上同时传输一个以上的空间数据流。

把MIMO技术引入到UWB技术中来是对UWB技术的一种改进和提高，除MIMO-UWB之外，目前还出现了不少基于UWB的研究方案。

MB-OFDM-UWB方案是采用MB-OFDM技术把UWB的频谱分成多个子带，然后利用多载波进行信号的传输。

在这种方案中，融入OFDM、扩频与交织、跳频等多种机制，保证了在多径衰落信道上可靠实现高速数据的传MIMO-OFDM-UWB的实现的关键技术之一是MIMO-OFDM系统的编码技术以及天线选择算法的选择。

和MIMO-OFDM-UWB一样在不久的将来把MB-OFDM技术融入到MIMO-UWB系统将是未来的一个重要研究方向。