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MIMO技术杂谈二:MIMO信道中隐藏的秘密

作者:小兵学通信   来源:通讯人家园   时间:2015-04-28 14:46:29

    无线通信中,最让人难以捉摸的,就是那看不见,摸不着的无线信道了。但是,正因为它的变化莫测,才让无线通信具有了独特的魅力。正如Tse在他的大作《无线通信基础》(Fundamentalof Wireless Communication)中说的:衰落和干扰,让无线通信的研究变得有趣。然而衰落本身来无影,去无踪,研究中,我们也只能通过概率统计的方法,才能捕获它扑朔的身影。

    无线信道根据其自身特点和研究需要,可以建模成多种模型。其中最经典的,江湖人称“独立同分布模型(independentlyand identically distribute,简称i.i.d)”。比如在介绍一个传播环境时,我们说 “……在一个4x1的MISO系统中,假设每条路径的传输成功率都是1/2……”描述的就是这种模型。其中“独立”和“同分布”俩个名词都源自概率论。“独立”是说每条路径的传输成功与否,相互之间并不影响;而“同分布”表示概率分布相同,即成功率都是1/2。

    我们已经知道,对付这种信道最有效的方法之一就是分集,获得的分集增益越多,传输的可靠性就越高。但是,分集技术的应用并没有让江湖太平多久,“衰落相关性”的出现,又在江湖上掀起了一阵波澜。

    为了更好的理解相关性的概念,我们先来看一个例子。比方说我们有一车货物要从A地运到B地,有3条路可以选择,分别经过城市X,Y,Z。但X市和Y市的地理位置非常接近。在出发前我们听到天气预报说X市会有大雨,那我们一定会选择绕道走Z市,而不选择Y市。为什么?答案很简单,X与Y市离得那么近,若X市大雨,Y市天气也好不到哪去,这种天气间相互影响的现象就说明X市与Y市的天气具有相关性。所以用一句话概括相关性,就是“他好,我也好”。原来我们有3条路可选,但因为X与Y市天气条件近似,实则只有两条路线可选,其中一条神秘的“消失”了,这种现象对MIMO系统会产生什么样的影响呢?


    在MIMO系统中,“衰落相关性”扮演者同样的角色。先来看一个2x1的MISO系统,为了保证传输质量,我们采用发送分集技术。从上一篇文章《鱼与熊掌能否兼得?--浅谈分集与复用的权衡》中我们已经知道,2x1的MISO系统有两条传播路径,最大分集增益是2。现在考虑下面的环境:假设发送端到接收端的距离特别远,远远大于A与B的天线间距,这时我们突然发现,两条传播路径几乎平行到达天线C,并且这两条传播路径挨得特别近。此时,如果沿这个传播方向上发生严重的衰落,两条传播路径上的信号会同时受到影响,这便是“衰落相关性”的厉害。既然两条路径挨得如此近,又经历相同的衰落,我们干脆把它们合并成一条,2x1的MISO系统退化成了1x1的SISO系统!


    怪哉,怪哉,我们使用了两根发送天线,效果居然和单天线系统相当,这太令人失望了。那好,我们在接收端也使用2根天线,组成2x2的MIMO系统,别忘了,2x2的MIMO系统拥有的分集增益可是4。现在的情况又如何呢?我们依然考虑上述传播环境,奇怪的事情再次发生,4条传播路径纠缠在一起,几乎无法区分。同样,若这个传播方向上的衰落很严重的话,4条传播路径将无一幸免。2x2的MIMO系统也退化成了SISO系统!


    不可思议,连武功高强的MIMO系统也败下阵来,这就好比被人连点了“檀中”、“百会”、“命门”三大要穴的武林高手,纵有千般本领,也施展不出。难道MIMO系统的一世英名终将毁在“衰落相关性”手上?正所谓魔高一尺,道高一丈,小小的“衰落相关性”不至于成为MIMO技术的绊脚石,待我们仔细分析分析它的特性,定能找到破解之法。

    现在困扰我们最大的问题,就是传播路径纠缠在一起,若能分离出各条路径,问题也就迎刃而解了。我们回到2x2的MIMO系统上,灵感来了,如果我们加大天线间的距离,不就能区别出传播路径了么?沿着这个思路,我们首先拉大两个发送天线的间距。现在,尽管路径1和2,3和4之间还无法区分,但两天线间的路径已经明显分离了,换言之,我们恢复出了两个分集增益,成功了第一步。接下来,我们再拉大接收天线间的距离,现在,4条路径都清晰可辨,MIMO系统获得了重生!


    通过加大天线间间距来恢复分集增益的做法,看似有效,实则有些“简单粗暴”。试想,若我们的手机将来装配了多天线,为了保证MIMO系统的性能,难道让手机顶着牛角一样分叉的天线么?那么除了增大天线间距离的办法,还有没有别的思路呢?我们再看下面的传播环境:发送端到接收端的传播距离依然很远,且天线间保持小间距,不同的是,这次在周围有很多反射体存在。本来天线小间距的分集特性就不好,现在又有反射体来捣乱,形式不容乐观。但是,奇妙的事情发生了,原来令我们头疼的反射体,这一次却阴差阳错的帮了我们的大忙。正是由于它们的存在,清晰的分离出了4条传播路径,居然让小天线间距的2x2MIMO系统同样获得了4个分集增益。看来“真气所至,草木皆为利刃”。无线通信中,如何发现并利用一切可能的资源,实现“变废为宝”,实乃一大学问。

    我们来分析一下刚才的例子。虽然天线间间距很小,但大量反射体的存在实际上打乱了信号的传播路径,让信号从“不同”的角度到达接收端,间接的实现了路径分离的效果。所以总结以上发现,我们找到了破解“衰落相关性”的秘籍,那就是:增大天线间距,或者差异化信号的发射角度(DoD,Direction of  Departure),到达角度(DoA,Direction of Arrival)。

        现实中MIMO通信网络的部署也能从上述分析中得到启示:在一个典型的小区蜂窝网中,基站往往架设在较高的地方,四面开阔,极少有反射体和遮挡物,所以基站的发射信号角度范围相对集中,为了保证MIMO系统享有较好的性能,通常在基站侧要拉大天线间的间距(至少为5到10倍波长);而在用户侧情况就不同了。我们周围充斥着大量的建筑,墙体,用户本身就处在天然的,丰富的反射体包围中,所以用户设备一般不需要太大的天线间距就可以满足性能的需求了(一般为波长的0.5倍到1倍),现在你不用担心将来的手机长着像牛角一样分叉的天线了。

    闲话:

    随着MIMO技术的广泛应用,多天线间的空间相关性问题逐渐引起了研究人员的高度重视。理论上,我们主要的分析方法还是建立合适的传播模型,用数学的方法进行推导,得出各参数间的相互关系,从而对实际通信系统的设计做出建议。比如,图表9中画出的模型,就是经典的“One-Ring”一环模型。它能够形象的表现出角度扩展(AS,Angle Spread),传播距离,发射角度,到达角度,天线间距等等因素之间的关系,为我们的分析提供了方便。随着研究的深入,人们发现,70%以上的通信量都发生在室内,在典型的室内环境中,除了四周的墙体,天花板和地板也是不可忽视的反射体,“一环”模型已再不满足室内环境研究的需求,于是,“一球”模型孕育而生,信道模型从二维迈入了三维(3D)时代。再后来,无线用户数量爆棚,运营商不得不通过分裂的小区等措施,来容纳更多的用户数。微小区(Micro-cell),微微小区(Pico-cell),微微微小区(Femto-cell)……的概念也不断被提出。现在无线路由器已经深入到千家万户,也许在不久的将来Femto基站也要入住室内空间,这样,发送端与接收端将同时处在丰富的反射体包围中,所以,发送端也需要建模成“3D球体”,我们可以亲切的称这种模型为“二球”模型。

    结束语:既然无线信道如此难以捉摸且变化多端,如果我们能掌握住它的动向,在它出招之前,以一招“未卜先知”首先克制住对方,对于我们岂不大为有利?这就是下一回将讨论的内容:“知己知彼,百战不殆 -- 信道信息的获取和应用”。

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