3G/4G無線通信系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)分析

今天，先進(jìn)的3G/4G（HSPA+、 LTE和IMT-advanced）應(yīng)用普遍采用多路輸入多路輸出（MIMO）技術(shù)。借助增強(qiáng)的頻譜效率，MIMO能夠保證實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，并通過將電子信息嵌入到空間處理單元來提高無線系統(tǒng)的性能?？臻g處理包括在發(fā)射機(jī)上進(jìn)行空間預(yù)編碼和在接收機(jī)上進(jìn)行空間后編碼，從信息信號處理理論角度講，它們彼此之間進(jìn)行的是雙重處理。MIMO技術(shù)與正交頻分多路復(fù)用（OFDM） 相結(jié)合可以充分利用無線信道空間分集和多徑的特征，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的3G寬帶無線通信和高頻譜利用率。

表1：適用于3G標(biāo)準(zhǔn)的3G MIMO技術(shù)的演進(jìn)歷程。

表2是3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)TR 25.913的概述，它顯示了在固定6？QAM調(diào)制深度時(shí)，單路輸入單路輸出（SISO）和MIMO天線配置中的性能。這些數(shù)字表示在理想的無線條件下（具有信令開銷補(bǔ)償），頻分雙工（FDD）空中接口的物理限制。

表 2：3G MIMO應(yīng)用（6？QAM）的數(shù)據(jù)速率性能。

在無線通信系統(tǒng)中，在發(fā)射機(jī)和/或接收機(jī)上使用多個(gè)天線開辟了一個(gè)新的維度空間。如果能夠正確利用這一技術(shù)，可以極大地提高性能，它現(xiàn)在被廣泛地稱為MIMO系統(tǒng)。這里的輸入和輸出指的是無線信道。發(fā)射機(jī)的多個(gè)天線意味著有多個(gè)信號輸入到無線信道中，接收機(jī)的多個(gè)天線是指有多個(gè)信號從無線信道輸出。圖1是對SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)的簡單演示。通過本圖，您可以很容易理解對于發(fā)射機(jī)天線（T）和接收機(jī)天線（R）的MIMO系統(tǒng)來說，如果每個(gè)發(fā)射接收天線對之間的信道獨(dú)立進(jìn)行衰落，則信道分集階數(shù)為T×R。

圖 1：SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)之間的關(guān)系。

不同的MIMO應(yīng)用

在一個(gè)密集的多徑散射環(huán)境中，MIMO系統(tǒng)可充分利用通過空間分隔的天線獲得空間分集。MIMO系統(tǒng)能夠通過許多不同方法來實(shí)施，以獲得抵抗信號衰落的分集增益或者容量增益。通常，MIMO技術(shù)具有三種類型。第一類旨在通過最大化空間分集提高功率效率。此類技術(shù)包括延遲分集、空時(shí)分組編碼（STBC）和空時(shí)網(wǎng)格碼（STTC）。第二類利用豐富的散射環(huán)境中的空間復(fù)用，通過天線傳輸相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)信號，以提高數(shù)據(jù)速率，但通常不能夠達(dá)到完整的空間分集。第三類利用的是發(fā)射機(jī)的信道信息，又稱為波束賦形。它利用信道信息建立波束賦形矩陣，作為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的前置濾波器和后置濾波器的，以實(shí)現(xiàn)容量增益。

空間分集

無線信道中信號功率的波動(dòng)非?？焖?。信號功率顯著下降時(shí)，信道處于衰落狀態(tài)。分集用于在無線信道中抵抗衰落。接收天線分集可在SIMO通道中使用。接收天線接收同一信號獨(dú)立的衰落狀態(tài)，并與這些信號相結(jié)合，使得合成信號的幅度變化小于任一天線的信號。通常使用獨(dú)立衰落信道數(shù)來描述分集的特征，這一數(shù)目也稱為“分集階數(shù)”，并且如果同一發(fā)射天線針對所有接收天線的信道具有獨(dú)立的衰落特性，則分集與SIMO信道中接收天線的數(shù)量相等。發(fā)射分集適用于MISO信道并且已經(jīng)成為備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。提取分集需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)發(fā)射信號。在接收機(jī)上使用合適的組合方案，以獲得分集增益。如果所有發(fā)射天線到同一接收天線的信道具有獨(dú)立的衰落特性，則該信道的分集與發(fā)射天線的數(shù)量相等。

圖2：（a） AlamouTI空時(shí)編碼發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)；（b） 空間復(fù)用發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)；（c） 波束賦形發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖2給出了一個(gè)簡單的發(fā)射機(jī)分集方案實(shí)例，也稱為 Alamouti空時(shí)編碼。在指定的符碼周期，兩個(gè)天線同時(shí)發(fā)出兩個(gè)信號。在符碼周期t1，分別從天線0和天線1發(fā)送信號s0和s1，在下一個(gè)符碼周期 t2內(nèi)，天線0發(fā)送信號-s1*，天線1發(fā)送信號s0*，其中（）*是復(fù)共軛運(yùn)算。這一序列如圖2所示。編碼是在空時(shí)編碼中完成的，也可在空頻編碼中完成。可使用兩個(gè)相鄰的載波（空頻編碼）來替代兩個(gè)相鄰的符碼周期。使用MIMO信道的分集需要將上述發(fā)射和接收分集相結(jié)合。如果每個(gè)發(fā)射接收天線對之間的信道獨(dú)立衰落，則分集順序與發(fā)射和接收天線的數(shù)量相等。

空間復(fù)用

空間復(fù)用可以為相同帶寬的信號提供線性增長的傳輸速率，而且不會造成額外的功率損耗。

圖2（a）給出了含有兩個(gè)發(fā)射天線的簡單的空間復(fù)用系統(tǒng)，這一概念可擴(kuò)展到更普遍的MIMO系統(tǒng)中。發(fā)射的比特流被去復(fù)用到兩個(gè)具有一半速率的子比特流中，由每個(gè)發(fā)射天線同時(shí)進(jìn)行調(diào)制和發(fā)射。例如在圖2（a）中，在符碼周期t1內(nèi)，天線0發(fā)射符號s0，從天線1發(fā)射符號s1。在符碼周期t2內(nèi)，天線 0發(fā)射符號s2，天線1發(fā)射符號s3。因此，發(fā)射速率是SISO系統(tǒng)的兩倍。在最佳的信道條件下，接收機(jī)端接收到的信號的空間特性，可以被很好的分離。接收機(jī)根據(jù)信道信息可以對兩個(gè)同信道信號進(jìn)行區(qū)別和提取。進(jìn)行解調(diào)之后，子比特流能夠相互結(jié)合產(chǎn)生原始比特流。所以，空間復(fù)用所能提高的傳輸速率與發(fā)射接收天線對的數(shù)量成正比?？臻g復(fù)用還可用于多用戶格式，也就是空分多址或SDMA。假設(shè)兩個(gè)用戶發(fā)射獨(dú)立的信號，這兩個(gè)信號均到達(dá)一個(gè)配有兩個(gè)天線的基站。該基站可以分離這兩個(gè)信號，以支持兩個(gè)用戶同時(shí)使用信道。這使容量能夠根據(jù)基站的天線數(shù)量和用戶數(shù)量成比例的增加。