室内分布MIMO天线的研究及展望

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1.引言

当前，随着用户数量的增加，尤其是数据业务的大量增加，三大运营商的网络压力越来越大，为此逐渐加大了网络整改和建设力度，中国移动作为全球最大的运营商，加快了WLAN系统的部署和LTE的规模试验步伐。

在中国移动四网协调发展战略中，TD-LTE代表了网络演进的方向，具有举足轻重的地位，而TD-LTE业务特性和业务发展趋势决定了室内区域网络覆盖的重要性，建设室内分布系统是解决室内重点区域网络覆盖的最重要方式。中国移动在2010年底到2011年底，针对室内双路系统，分别进行了TD-SCDMA双通道测试、基于IEEE 802.11n的MIMO天线测试和LTE室内分布规模试验网测试。

2 . LTE系统及802.11n的WLAN系统

2.1 LTE系统

LTE采用了OFDM和MIMO等技术，极大地提高了系统的吞吐量；MIMO系统使用的是空间复用技术，MIMO系统在接收和发射时均使用了多路收发信机。由于MIMO支持在给定的带宽情况下,单位时间能够传输更多的比特，因此它能提高频谱效率，使系统能够同时满足多名用户对高数据速率的要求。由于无需增加额外带宽就可提高频谱效率、提供更高的数据速率和数据吞吐量，因此 MIMO 对于无线通信系统具有极大的吸引力。对于下行链路的通信来说，一个基站（BS）包括具有多路发射天线的发射机，一个移动台（MS）包括具有多路接收天线的接收机。

图1为单路输入单路输出（SISO）系统，多路输入多路输出（MIMO）系统的发射机和接收机的基本配置

图1 SISO、MIMO（2x2）系统的天线和信道配置

2.2. WLAN系统下的MIMO信道

MIMO系统利用多径效应通过多天线收发提高传输效率。MIMO系统通过发射天线和接收天线的联合处理，可以同时提供多个并行的空间传输通道，因而能够有效地提高系统频谱利用率。

Caire和Shamai[2]提出了采用逐次DPC编码的方法可以得到两个用户的一般非退化高斯广播信道的容量域，在高信噪比的情况下，当信道矩阵是满秩的情况下迫零DPC编码是最优的。低信噪比的情况下，最大比合并波束成形是最优的。Vishwanath，Jindal和Goldsmith[3]建立了MIMO广播信道的容量域和MIMO多址接入信道的容量域之间的对偶关系，证明了MIMO广播信道在功率为P约束下的容量域对偶于MIMO多址接入信道在各用户和功率为P的容量域。闭环MIMO系统如图2所示。

图2 闭环MIMO系统模型

接收机瞬时接受的数据向量为，则接收信号矩阵为[4]

(1)

H0和H1为Toeplitz矩阵，H0的第一列为，第一行为，H1的第一列为，第一行为。

MIMO系统的信号响应为[5]

（2）

其中，x为的发射信号向量，H为的信道矩阵，n为均方差为噪声（AWGN）向量。

则信道的容量为

(3)

这里，P是发射信号协方差矩阵。

3. 仿真及测试验证

MIMO无线系统的信道容量取决于信道矩阵的秩，而信道矩阵的秩则依赖于天线端口处信号衰落的相关特性，故天线特性是决定系统性能的一个关键因素。为了获得低相关性，传统上要求天线间的间距充分大，但在现实中往往存在安装空间受限的情况，此时由于天线间隔较小，天线间的相互作用会显著地影响相关特性。天线间信号相关性的求解可以采用对方向图求相关的方法。

为了验证基于802.11n的WLAN的MIMO系统性能，需要对该系统进行测试。测试的项目为无线覆盖信号强度测试，信噪比测试，Ping包测试、AP配置检查及干扰测试和FTP下载测试等。

图3、图4分别为为单入单出（SISO）系统在中点40M模式下的上行和下行吞吐量。