MIMO系统的快速原型设计与验证-一种使用MATLAB和Virtex-4 FPGA实现系统的实用方法

　　空间复用式多输入多输出 (MIMO) 发射器与接收器据称可比其现有的单输入单输出 (SISO) 对应器件提升更大的无线通信系统性能。下一代无线标准，如 802.11n，将支持高达 600 Mbps 数据传输速率和超过 1 GHz 的无线局域网传输速率。

　　然而这些系统的设计，却必须在成本和功耗方面做出折衷，这对使用电池运行的手持设备具有重要影响。设计团队需要面对的挑战就是针对他们的特定应用寻求这些设计要求之间的最佳平衡。

　　此项技术的核心是多径概念，即射频 (RF) 信号在物理环境中的反射。虽然多径问题降低了现有的 802.11 设备的性能，但空间复用式正交频分复用 (OFDM) MIMO——802.11n 标准中的一个关键要素——却利用了这些反射来“调谐”发射器，最大程度地减小误差，和提高总体性能。但在这些带宽上，位于传输路径中的物体对微波的散射、衍射和吸收是一个重要的考虑因素。设计 MIMO 系统时要求将这些影响尽可能精确地以信道模型的形式描绘出来。

　　有三种基本的信道模型来源：基于软件的数学模型，一般来自标准委员会;基于硬件的 MIMO 信道模拟器，自行设计或由

　　诸如 Azimuth 之类的公司提供;最好的则是MIMO 系统将要运行的真实世界环境。在真实世界中验证 MIMO 系统，要求能够在面向 MIMO 的 FPGA 硬件平台上，如 Lyrtech 公司的 VHS-ADC-V4 卡，快速构建起发射器和接收器原型。

　　MIMO 性能优点

　　空间复用式 MIMO 技术的优点是能够通过天线的数量提高传输速度。目前已有 SISO 系统的数据速率由以下公式决定：

　　R = Es * Bw

　　其中 R 为数据速率(位/秒)，Es 为频谱效率(位/秒/赫兹)，Bw 为通信带宽 (Hz)。例如，对于 802.11a 标准，峰值数据速率由以下公式决定：

　　Bw = 20 MHz

　　Es = 2.7 bps/Hz

　　R = 54 Mbps

　　使用 MIMO 时，需要为该公式引入一个附加变量 “Ns”，它代表使用相同带宽而通过不同空间路径同时发射的独立数据流的数量。现在频谱效率将按传输/流 Ess 来计算，于是 MIMO 系统的数据速率变为：

　　R = Ess * Bw * Ns

　　我们把以前 802.11a 的例子和当前 802.11n 提案所能获得的结果进行一次比较，采用 20 MHz 带宽和四个天线：

　　Bw = 20 MHz

　　Ess = 3.6 bps/Hz

　　Ns = 4

　　R = 288 Mbps

　　MIMO 技术的使用让所体案的802.11n标准实现了 5.3 倍数据速率的提升。

　　MIMO 系统硬件复杂度

　　空间复用式 MIMO 系统的性能提升是以增加硬件复杂度为代价获得的。采用多个天线的发射/接收系统不只在相应天线之间发射数据，而且还在相邻天线之间发射数据。在图 1 中您可以看到，数据是以“MIMO 信道矩阵”的形式接收的。