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    MIMO系统就是在发送端和接收端同时配备多根天线用来发送和接收。MIMO不仅可以保留原来时间和频率的维度,而且可通过空间维度进一步提供信道的容量增益,也就是空间复用(Spatial Multiplexing,SM)增益,同时会带来空间分集(Spatial Diversity,SD)增益和天线阵列增益等。研究成果表明,当多径效应存在并且信噪比较高时,MIMO系统信道容量会随发送天线数和接收天线数中最小值线性地增长,这就充分说明MIMO在提高频谱的效率方面具有巨大的潜力[3]。 近来MIMO技术不仅得到世界各国研究人员广泛的研究,并且其和OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术结合的MIMO—OFDM技术已在WLAN(Wireless Local Area Networks )领域中得到成功的应用。MIMO越来越多地被应用到各种无线通信的系统中,与此同时,MIMO也在不断被完善。总之,MIMO的核心目的就是,在复杂的时变无线信道中,凭借空间维度,增强链路的可靠性并增加数据的传输速率。

    1.3  MIMO模型及应用(单用户MIMO、多用户MIMO)

    一般情况下,MIMO系统可分成单用户MIMO和多用户MIMO系统。图1.3.1为典型点对点单用户MIMO的传输模型;图1.3.2为单发送端多接收端的多用户MIMO传输模型;图1.3.3是多发送端多接收端传输模型。

    1、单用户MIMO

    单用户MIMO如图1.3.1,发送端和接收端配备有数量分别为 与 的天线。发送端可以同时发送 ( , )个数据流到达接收端。在平坦的衰落信道MIMO系统,接收信号 可表示为

                             (1.3.1)

    其中 为发送信号向量, 是 维信道矩阵, 为长度使 的噪声向量,且 中每个元素都是独立服从于复高斯分布 的。 时,MIMO信道退化为MISO信道; 时,退化为SIMO信道;当 ,信道退化为SISO信道。MIMO信道容量是[8]

                           (1.3.2)

    其中 是信噪比。

    2、多用户MIMO

    由于单用户MIMO信道容量高信噪比时是随着 线性增长的,而现实通信系统中,由于移动终端设备尺寸较小和成本等众多的因素,经常只能配置较小数目天线(1根或2根),而基站却能配置大数目天线,使得信道的容量受限于移动终端天线数。但是,在多用户MIMO中,该问题得到了较好的解决。多用户MIMO可在同样时间与频率资源条件下并行给多个用户传输独立数据流,此称之为空分多址接入(Spatial Division Multiple Access,SDMA),多用户MIMO的信道容量不用再受限于单个的移动终端天线数。多用户MIMO是以预编码技术或波束成形为基础来实现的,且多用户MIMO的发送预编码的技术已被LTE采纳作为备选方案[9]。

    在多用户的MIMO系统,发送端配备有 根发送天线,每个移动终端配备有 根天线。发送端 时刻发给用户 的信号是 ,预编码的矩阵是 。假设是窄带平坦的MIMO信道(例如OFDM系统中一个子载波),且具有完美同步。用户 在 时刻接收的信号可表达为

                      (1.3.3)

    其中, 是由发送端到接收端 的 维的信道矩阵,可表达为

                           (1.3.4)

    式中每元素 均表示发送端第 根天线到达用户第 根天线之间的信道。 为长度是 的高斯白噪声的向量。 为用户 接收到的有用的信号,而 为用户 接收到的干扰和噪声之和。因此,对预编码矩阵 的选择将直接影响每个用户所受干扰以及整个系统的性能。如此,怎样进行用户调度,功率分配和选择合适的预编码矩阵 就成为多用户MIMO的核心问题之一,成为挖掘多用户MIMO的空分复用增益的关键。

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