协作通信系统中的AF中继协议研究.docx

本科毕业设计论文

题 目 协作通信系统中的AF中继协议研究

专业名称 通信工程

学生姓名 XXX

指导教师 李 冬

毕业时间 2012.6

目 录

摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 引 言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 2
1.3 论文结构 3
第二章 无线信道及分集技术 5
2.1 无线通信的概念和发展史 5
2.2 无线信道 6
2.2.1 无线信道的定义 6
2.2.2 影响无线信道的因素 6
2.2.3 无线信道的分集 7
2.3 空间分集技术的产生及研究 8
2.4 MIMO系统 11
2.4.1 MIMO技术的概念及原理 11
2.4.2 MIMO的优势 12
2.5 MIMO技术及其分类 14
2.6 MIMO的研究状况及应用 15
2.6.1 MIMO的研究状况 15
2.6.2 MIMO的应用 17
2.7 协作分集 19
2.7.1 协作分集的定义和产生 19
2.7.2 协作分集的原理 19
2.7.3 协作分集的优点及问题 20
第三章 协作通信及其协议 23
3.1 协作通信 23
3.2.1 固定协作策略 25
3.2.2 自适应协作策略 26
第四章 AF中继协议研究 28
4.1 固定放大转发协议 28
4.2 单中继协作通信 30
4.2.1 系统模型 31
4.2.2 AF协议的SER分析 32
4.2.3 调和平均值的简单MGF表达 34
4.2.4 渐进紧的近似解 37
4.2.5 最优功率分配 39
4.3 AF与DF协作增益的比较 40
第五章 总结与展望 45
5.1 全文总结 45
5.2 展望下一步 45
致 谢 47
参考文献 48
毕业设计小结 49

摘 要

近年来，随着无线通信技术的高速发展，MIMO技术被认为是对通信技术有着巨大推动作用的。然而MIMO系统对天线间距离的苛刻要求使得其无法在移动终端使用，但由无线信道的广播特性使得节点间可以互相帮助进行分布式通信，并且可以获得和固定MIMO系统相同的性能增益，所以出现了协作通信的思想。
协作通信是一种新的通信方式，它把MIMO通信技术推广到更多的应用场景，在这种新的通信方式中，分散在无线网络中的终端可以看做分布式天线。通过节点的协作，增加了系统的分集增益从而获得了类似MIMO系统中的增益。然而在协作通信过程中，源节点通常有很多中继节点，如何选择节点变得尤为重要。
本文首先对无线通信系统中广泛使用的分集技术进行了论述，引出了协作通信的概念，研究了协作通信的基本原理以及协作通信的各种协议，并分析了各自的优缺点。然后研究了单中继节点存在的协作通信系统模型，利用矩生成函数给出了单中继协作通信的平均误符号率表达式，得到了系统的信噪比以及最优功率分配。最后根据AF协议的性能增益和DF协议作了比较，得出一系列结论。

关键词 MIMO、协作通信、误符号率、信噪比、功率分配

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development of wireless communication technology, MIMO technology has been considered to be a huge boost the role of communications technology. However, MIMO systems makes the demanding requirements of the distance between the antennas can not be used in the mobile terminal, but makes broadcast by the radio channel characteristics can help each other distributed communication between nodes, and can be fixed with the same MIMO system performance gain, so there are the idea of collaborative communication.
Collaborative communication is a new means of communication, it extended to the MIMO communication technology scenarios, in this new means of communication, decentralized wireless network terminal can be seen as a distributed antenna. Node collaboration to increase the diversity gain of the system in order to gain similar MIMO system. However, in the process of collaborative communication, the source node usually have a lot of relay nodes, how to choose the node becomes particularly important.
The paper first discusses the diversity technique widely used in wireless communication systems, leads to the concept of collaborative communication, the basic principles of cooperative communication and collaborative communication of various protocols, and analyzes their advantages and disadvantages. Then a single relay node collaboration communication system model, the moment generating function gives the average symbol error rate expression for the single-relay cooperative communication, the SNR of the system and the optimal power allocation. Finally, the performance gain of the AF protocol and DF protocols were compared to draw a series of conclusions.

KEY WORDS MIMO, cooperative communications, symbol error rate, signal to noise ratio, power distribution

第一章 引言

1.1 研究背景

目前，无线通信技术已经经历了快速发展演进，各种新技术层出不穷。回顾移动通信的发展过程，第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，其主要采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等；第二代移动通信技术（2G）引入数字无线电技术组成的数字蜂窝移动通信系统，提供更高的网络容量，改善了话音质量和保密性，并为用户提供无缝的国际漫游。当今世界市场的第二代数字无线标准，包括GSM、D-AMPS。PDC（日本数字蜂窝系统）和IS-95CDMA等，均仍然是窄带系统。现有的移动通信网络主要以第二代的GSM和CDMA为主，采用GSM GPRS、CDMA的IS-95B技术，数据提供能力可达115.2kbit／s，全球移动通信系统（GSM）采用增强型数据速率（EDGE）技术，速率可达384kbit／s；第三代移动通信（3G）在第二代移动通信技术基础上进一步演进的以宽带CDMA技术为主,并能同时提供话音和数据业务的移动通信系统，其主要是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够要能在全球范围内更好地实现无缝漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特／每秒）、384kbps（千比特／每秒）以及144kbps的传输速度。
尽管经历了几代不同的发展阶段，每一代无线设备都带来了无线链路通信速度、设备尺寸、电池寿命，以及应用等方面的显著改变。近几年，通信技术的演进出现了这样一种转变，即研究者们从传统的有中心控制器的单独点对点通信转换而关注整个无线网络架构。由于摒弃传统网络分层的概念而允许任何节点帮助其他节点转发信息，因此建立了包含多跳的无线通信路径。这种特性导致了用户终端发送的信息，可以通过其他节点获得性能增益，而不是被当做干扰，这种发展导致了分布式通信和协作网络这一新名词的诞生。
近年来，被认为对通信技术有巨大推动作用的是MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术。协作通信在无信通信系统中有多种应用，主要有固定中继的协作通信（协作MIMO)和用户终端间的协作通信（多用户协作）两种方式。考虑到移动终端只配置1到2跟天线，为了保证天线数受限的终端用户也能获得MIMO增益，提出了协作MIMO的概念。另外，在多跳无线通信网络中，为提高传输速率，提出了多用户协作分集即多个用户相互协作从而实现类似MIMO的传输方案以获得分集增益。一种建立协作通信的方法包括接收来自发起客户机的与指定用户进行协作通信的请求的步骤。可使能中间客户机，该中间客户机可以被设置在一个通过互联网协议网络与发起客户机通信连接的服务器中。可以确定一个与指定用户相关的移动设备。在中间客户机和移动设备之间的通信会话可以通过无线网络来实现。通过使用中间客户机作为通信中介，可以在发起客户机与移动设备之间传送至少一个协作消息。 MIMO技术在接收端和发射端使用多根天线，从而形成多条路径，通过数字信号处理技术对多条路径传送的信号进行形成和合并，提高了接收信号的质量和数据传输速率。由于无线信道的广播特性使得节点间可以互相帮助，进行分布式通信，并且可以获得和固定MIMO系统相同的性能增益，所以出现了协作通信的思想。其目的是通过采用一种新技术达到提高通信容量、传输速率和系统性能；减少电池能耗和延长网络寿命；提高吞吐量和多址接入方案的稳定区；增大传输范围；为媒体通信的信源-信道编码提供一种折中方案。协作通信是一个崭新的研究领域，其思想在通信领域具有非常广阔的应用前景！

1.2 研究意义

随着无线通信的高速发展，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。由于信号经过多条路径到达接收端的时间、幅度和相位不同，导致叠加后信号的急剧变化，从而产生多径衰落。其严重制约了无线通信中信号传输的质量，也是影响无线通信传输速率的重要因素。针对多径效应，人们曾提出了一系列抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术以及分集接收技术等。其中分集接收技术的基本思想是发送端采取某种方式通过相互独立的衰落信道产生同一信号的多个副本，降低信号分量同时陷入深度衰落的概率；在接收端再对接收到的多个衰落独立的信号进行处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。常见的分集技术有：频率分集、时间分集、空间分集和极化分集等。
空间分集是从不同的天线发送信号，在接受端得到经历独立衰落的多个信号副本，经过恰当的合并可以有效地消除多径衰落的影响。MIMO（Multiple Input- Multiple Output）技术作为空间分集的典型应用，通过在通信链路的发端与接收端用多个天线，能够将传统通信系统中的多径因素变为有利因素，在抗多径衰落、提高通信连路的速率和质量方面有着明显的优势。MIMO技术在不需要占用额外的宽带和频谱资源的情况下，极大的提高系统的容量和可靠性。
但在实际的蜂窝通信系统中，由于移动终端体积、功耗以及硬件复杂度 等的限制，不能在移动终端上安装多天线，这就极大的限制了MIMO技术在无线移动终端中的应用。为了解决这一问题，诞生了一种全新的分集技术——协作分集，使单天线的移动终端也可以实现空间分集。它的基本思想是在一个给定的终端周围，存在着其它单天线终端，利用这些终端形成一个虚拟的多天线系统，来增强给定终端的分集效应。协作分集即使不能提升数据传输速率，也可以提高数据传输的稳定性。

1.3 论文结构

第一章介绍论文的研究背景及意义并简述论文的结构。
第二章介绍无线信道的相关特性，MIMO系统的基本知识以及协作分集的产生和发展概括。
第三章介绍协作通信的三种不同的中继转发操作，引出前向放大转发的特点及优势。
第四章协作通信系统中的AF中继协议的具体研究和讨论。利用仿真技术实现对协作通信系统中的AF中继协议的仿真。通过研究得出自己的见解。对然后对未来AF中继协议的发展趋势进行了展望。
第五章总结全文，然后做下一步展望。

第二章 无线信道及分集技术

2.1 无线通信的概念和发展史

无线通信(Wireless Communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信。
第一代无线通信系统：采用频分多址（Frequency Division Multiple Access）技术组建的模拟蜂窝网也被称为第一代（First Generation，下称1G）无线通信系统。这些系统中，话务是主要的通信方式。由于采用模拟调制，这些系统容易被第三方窃听。1G的主要蜂窝系统包括AMPS、NMT、Hicap、CDPD、Mobitex、DataTac、TACS和ETACS。
第二代无线通信系统：从2G开始，无线通信步入了纯数字时代。2G的另一个显著特点是，所有的标准都以商业利益为宗旨。目前，世界上大多数运营中的无线通信系统都是2G系统，其中60%的市场被欧洲标准占据。2G标准包括GSM、iDEN、USDC（D-AMPS）、IS-95、PDC、CSD、PHS、GPRS、HSCSD和WiDEN。
第三代无线通信系统：为了满足不断增长的网络容量需求，数据速率亟待提高到能提供高速数据传输和多媒体应用的水平上来，于是3G标准出现了。3G系统基本上是2G的线性扩展，它们基于两种不同的骨干架构，一种基于电路交换，另一种则基于包交换。ITU（International Telecommunication Union）定义了一组特定的空中接口技术并称之为3G，包含在IMT-2000（International Mobile Telecommunications-2000）倡议中。IMT-2000是3G的国际标准，它包括IMT-DS（IMT Direct Sequence，或W-CDMA、UTRA-FDD）、IMT-MC（IMT Multi Carrier，或CDMA2000）、IMT-TD（IMT Time Division，或TD-CDMA和TD-SCDMA）、IMT-SC（IMT-Single Carrier，或EDGE，实际上是2.75G标准）和IMT-FT（IMT-Frequency Time或DECT）。现在，2G到3G的转换正在进行中，无数的技术正在被标准化。常见的3G标准包括：UMTS（W-CDMA）、CDMA2000、FOMA、TD-SCDMA、GAN/UMA、WiMax。

2.2 无线信道

2.2.1 无线信道的定义
无线信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，如果单就无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们假设这两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道（也称频段、频道等）。

2.2.2 影响无线信道的因素
由于传播媒介带来的有害因素，无线通信成为一种极具挑战性的工作。无线信号可能受到有噪声、衰减、损失和干扰。
加性高斯白噪声，在通信领域中指的是一种各频谱分量服从均匀分布（即白噪声），且幅度服从高斯分布的噪声信号。因其可加性、幅度服从高斯分布且为白噪声的一种而得名。该噪声信号为一种便于分析的理想噪声信号，实际的噪声信号往往只在某一频段内可以用高斯白噪声的特性来进行近似处理。由于AWGN信号易于分析、近似，因此在信号处理领域，对信号处理系统（如滤波器、低噪音高频放大器、无线信号传输等）的噪声性能的简单分析(如信噪比分析)中，一般可假设系统所产生的噪音或受到的噪音信号干扰在某频段或限制条件之下是高斯白噪声。加性高斯白噪声只是白噪声的一种，另有泊松白噪声等。
大尺度传播效应，大尺度损耗传播模型描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化,反映由路径损耗和阴影效应所引起的接收信号功率随距离变化的规律。该模型主要用于预测平均场强并估计无线覆盖范围,如用于电信运营商的网络规划设计、预测覆盖。建立准确的无线信道大尺度传播模型对于蜂窝设计至关重要,它可以确定小区的覆盖大小、最佳位置,从而达到减少相邻小区之间的干扰、优化通信网络的目的。准确确定小区的覆盖范围是衡量整个系统性能的关键,也是其它各项技术如功率控制、小区软切换、快速实现小区“软容量”等的基础。路径损耗导致了信号功率的降低，其产生于信号从发射机到接收机的衰减。
小尺度传播效应，无线信道的主要特征是多径，多径性指的是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。接收机天线将它们合成一个幅度相位都极具变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传播时间、以及传播带宽。

2.2.3 无线信道的分集
衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一。其中的快衰落深度可达30~40dB，如果想利用加大发射功率、增加天线尺寸和高度等方法来克服这种深衰落是不现实的，而且会造成对其它电台的干扰。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。相应的还需要采用分集接收技术减轻衰落的影响，以获得分集增益，提高接收灵敏度，这种技术已广泛应用于包括移动通信，短波通信等随参信道中。在第二和第三代移动通信系统中，这些分集接收技术都已得到了广泛应用。总结起来,发射分集技术的实质可以认为是涉及到空间、时间、频率、相位和编码多种资源相互组合的一种多天线。
空间分集，我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。
频率分集，频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功能。频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量，缺点是要占用更多的频带资源，所以，一般又称它为带内(频带内)分集，并且在发送端可能需要采用多个发射机。
时间分集，时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够大，则各次发送降格出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。

2.3 空间分集技术的产生及研究

空间分集：也称天线分集，利用在不同地点的接收天线进行分集接收的方式。是通信中使用较多的分集形式，简单的说，就是采用多付接收天线来接收信号，然后进行合并。为保证接收信号的不相关性，这就要求天线之间的距离足够大，在理想情况下，接收天线之间的距离只要波长λ的一半就可以了。
多径衰落和阴影衰落产生原因是不相同的。随着移动台的移动，瑞利衰落随信号瞬时值快速变动，而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大地恶化，虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互问相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。
在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长，即d＞0.61，并且最好选在l/4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到l/4，也能起到相当好的分集效果。
空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。接收端天线之间的距离应大于波长的一半，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。
随着现代社会对无线通信需求的扩大，人们不断追求更高质量的无线传输速率和服务质量但无线通信中信号传输的多经衰落效应始终是困扰无线传输速率和服务质量提高的最大问题，因此，人们采用了多种抗多经衰落的技术这些技术包括分集、自适应均衡、扩频通信、交织以及纠错编码技术等，其中分集是抵抗多经衰落最主要且行之有效的技术之一，它的发展经历了从最初的时间分集，频率分集，编码分集，到最近的空间分集的过程尤其是空间分集，由于不需要占用额外的时间和频带资源，并且可以和其他信号处理方式相结合，因此得到了广泛的关注其中最典型的就是多入多出Multiple Input-Multiple Output，MIMO技术，它能够将传统通信系统中存在的多径因素变成对用户通信性能有利的因素，在抗多径衰落，提高通信链路的通信速率和质量方面有着明显的优势，它的空域发射分集技术已经成为3GPP的WCDMA标准协议但在实际应用中，由于移动终端物理条件的制约，如终端的体积，功耗，多天线的位置设置等，限制了空间分集技术的应用由此人们从中继信道得到启发，由Sendonaris提出了协作分集的概念 本文首先对移动通信系统中应用比较广泛的分集技术作了详细的介绍并重点介绍了本课题主要相关的分集技术并对分集与非分集方式所得到的效果改善和衡量指标进行了介绍。其次，本文提出了协作分集的概念协作分集这种新的空域分集技术是为了解决蜂窝移动通信系统中传统空域分集技术在移动终端的多天线设置制约而生的与传统的空域多输入多输出MIMO系统相比，协作分集使得在多用户环境下，具有单天线的多个终端可以共享彼此的天线，以形成一个虚拟的多天线结构，实现空域分集。本文讨论了协作分集已取得的进展和性能改善，同时介绍了协作分集的三种常用方法：放大－中继法、解码－中继法、编码协作法，然后对放大－中继和编码协作方案进行了简要说明最后，本文讨论了基于上述三种方法的协作分集模型分析同时设计了它的各个部分子模块，包括卷积编码和Vitcrbi软译码、分集接收、几种信道模型、最大比合并等并通过大量的计算机仿真分别实现了在加性高斯信噪声信道AWGN、慢衰落信道、快衰落信道这几种不同信道传输环境下，协作系统与非协作分集方式下的性能比较，充分验证了协作系统性能的优异性。
空间分集接受是利用多副接收天线来实现的。在发射端采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离d≥λ/2（λ为工作波长），以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。为了克服这个缺点，近来又生产出定向双极化天线。两个在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关衰落特性。利用这一特点，在发射端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线，在接收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量Ex和Ey。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是它只需一根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成3dB的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。空间上的位置分离保证两面接收天线分别接收不同路径来的微波信号，同时也使两面天线间满足一定隔离度的要求。若采用交叉极化天线，同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说，天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性，并且在整个120°扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性，代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果，要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性，即两个分集接收天线端口信号的不相关性，决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性，两个端口之间的隔离度通常要求达到30dB以上。分集天线把多径信号分离出来，使其互不相干，然后通过合并技术将分离出来的信号合并起来，获得最大的信噪比收益。常用的合并方法有选择性合并、切换合并、最大比合并、等增益合并等。

2.4 MIMO系统

2.4.1 MIMO技术的概念及原理
MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)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。
MIMO表示多输入多输出。国际上研究这一领域的专家较多的都读/maimo/。在第四代移动通信技术标准中被广泛采用，例如IEEE 802.16e (Wimax)，长期演进(LTE)。在新一代无线局域网(WLAN)标准中，通常用于IEEE 802.11n，但也可以用于其他 802.11 技术。MIMO 有时被称作空间分集，因为它使用多空间通道传送和接收数据。只有站点（移动设备）或接入点（AP）支持MIMO时才能部署MIMO。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。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，从而实现高的通信容量和频谱利用率。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。系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。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通信系统的容量具有极大的潜力。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。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。

2.4.2 MIMO的优势
1.更高的数据吞吐量。
802.11b工作在2.4GHz，采用CCK调制技术提供最高可达11Mbps的数据传输速率。802.11a运行在5GHz的UNII频段上，采用OFDM技术，其速率最高可达54Mbps，但由于成本问题制约了其发展，因此其并没有得到广泛的推广。802.11g兼容802.11b工作在2.4GHz，但采用OFDM技术使其最高数据速率可达54Mbps。而MIMO技术在同一个频带上利用多个天线创造多个并行的空间信道，通过多个而且相对独立的数据子信道来发送信息。当系统容量表示通信系统的最大传输率，那么，根据MIMO系统容量的公式：C=[min(M, N)]Blog2(ρ/2)在发射功率和带宽固定时，系统的容量随最小天线数的增加而线性增加。所以，MIMO技术增加了系统的容量，必然也提高了数据传输速率。使用了MIMO技术的无线局域网的传输速率可增至108Mbps以上，最高可达320Mbps。
2.更优的频谱利用率。
要改善无线局域网性能的一种选择是利用更多的频带宽度，如Super G技术使用专有的信道捆绑技术。IEEE802.11规范了从2.4GHz到2.4835GHz之间的83.5MHz的空间，并且将这段频谱空间分隔成11或13个频道，每个频道占用20MHz频带。在802.11b和g标准中，无线设备只能使用其中的一个频道来传输数据。Super G技术将两个频道捆绑起来，绑定后的双频传输相当于在一个单独的信道里接收和发送，所以最高的传输速率达到108Mbps。但是这不是一个好的长期选择，因为数据负载和信道占用比率随着时间的增加而增长，从而造成Super G的频谱利用率较低，而且容易造成干扰。而MIMO技术通过增大天线的数量来传输信息子流，多个数据子流同时发送到信道上，各发射信号占用同一频带，从而在不增加频带宽度的情况下增加频谱利用率。采用MIMO技术的无线局域网频谱利用率可以达到20－40bps/Hz，非常适合室内环境下的无线局域网系统的应用。
3.更广的信号覆盖范围。
MIMO技术能将遇到反射体后产生的发射波、折射波或散射波来组合信号，扩大了单一流量的传输距离和天线的接受范围。无线信号扩展到原本单一发射端的直接信号无法覆盖的范围，特别是覆盖到室内容易出现信号盲点的死角，真正让你无“盲区”之忧。随着家庭多媒体娱乐设备和Skype电话的推出，将信号覆盖到特定的位置更成为了迫切的需要，基于MIMO技术的无线局域网成为最理想的选择。
4.更强的抗衰落能力。
多径衰落是影响通信质量的主要因素，也是通信中无法避免的问题。发射的无线信号在传播的过程中，遇到各种反射体引起反射、散射、穿透或者吸收，经过不同路径到达接收端的无线信号由于时延各不相同，经过矢量合成以后就在接收端形成瞬时值的迅速、大幅变化，这种变化就是由多径（空间）引起的快衰落。以往的技术都是采用分离信号的方法把干扰信号从最强的有用信号中分离来缓解多径传播的干扰。MIMO技术不但没有设法消除多径信号，而是充分利用空间传播中的多径矢量，将信道与发射、接收视为一个整体进行优化——即当两处信号在被认为完全不相关的情况下实现多径信号的空间分集接收。如果按SISO系统的单个天线发送、单个天线接收，则单一的接收天线可能会对某个特定传播路径的信号重新组合后出现严重的失真，甚至由于信号相位相反而互相抵消。但是MIMO系统采用多发送天线、多接收天线，那么不同的空间位置上的衰落特性不同，即便单个天线出现SISO系统信号多径衰落的问题，但是可以从其他的天线抽取出相同子信道的信号