對(duì)更高網(wǎng)絡(luò)容量和更高無線網(wǎng)絡(luò)性能的需求是不變的多輸

1、對(duì)更高網(wǎng)絡(luò)容量和更高無線網(wǎng)絡(luò)性能的需求是不變的。多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)能極大地改善頻譜效率，因此MIMO將在很多未來的無線通信系統(tǒng)中扮演重要角色。本文將概述MIMO系統(tǒng)的原理和這些系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。 在過去幾年中，無線業(yè)務(wù)變得越來越重要，同時(shí)對(duì)更高網(wǎng)絡(luò)容量和更高性能的需求不斷增長(zhǎng)。幾種選擇方式如更高帶寬、優(yōu)化的調(diào)制方式甚至代碼復(fù)用系統(tǒng)實(shí)際上提高頻譜效率的潛力有限。MIMO系統(tǒng)通過采用天線陣列，利用空間復(fù)用技術(shù)來提高所使用帶寬的效率。 MIMO系統(tǒng)利用來自一個(gè)信道的多個(gè)輸入和多個(gè)輸出。這些系統(tǒng)是用空間分集和空間復(fù)用定義的?？臻g分集分為Rx和Tx分集。信號(hào)的副本從另外一個(gè)天線發(fā)送或在多個(gè)天線處接

2、收。采用空間復(fù)用，系統(tǒng)能在一個(gè)頻率上同時(shí)傳輸一個(gè)以上的空間數(shù)據(jù)流。MIMO是在802.11n、802.16-2004和802.16e以及3GPP中制定的。包含MIMO的更新的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.20和802.22。本應(yīng)用筆記將概述MIMO系統(tǒng)的原理以及這些系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。本文將用到WCDMA、OFDM和天線陣列的基礎(chǔ)知識(shí)。 MIMO信道 非MIMO系統(tǒng)用幾個(gè)頻率通過多個(gè)信道鏈接。MIMO信道具有多個(gè)鏈路，工作在相同的頻率。該技術(shù)的挑戰(zhàn)是所有信號(hào)路徑的分離和均衡。信道模型包括具有直接和間接信道分量的H矩陣。直接分量(例如h11)描述信道平坦度，而間接分量(例如h21)代表信道隔離。發(fā)送信號(hào)用s代

3、表，接收信號(hào)用r代表。時(shí)間不變的窄帶信道定義為： 了解H對(duì)于解碼來說是必要的，并通過一個(gè)已知的訓(xùn)練序列估計(jì)。如果接收器將信道近似值發(fā)送到發(fā)送器，則可以用來進(jìn)行預(yù)編碼。預(yù)編碼能改善MIMO性能。 香農(nóng)推出了下列公式，可以計(jì)算理論信道容量。 它包括了傳輸帶寬fg和信噪比。大多數(shù)信道容量的改善都是基于帶寬擴(kuò)展或者其他調(diào)制。這些因素并不能很大地提高頻譜效率。MIMO系統(tǒng)的香農(nóng)容量又決定于天線的數(shù)量。M是最小的MT(發(fā)送天線的數(shù)量)或MR(接收天線的數(shù)量)，表示空間信息流的數(shù)量。例如，一個(gè)2x3的系統(tǒng)只能支持兩個(gè)空間數(shù)據(jù)流，這個(gè)結(jié)果同樣適用于2x4的系統(tǒng)。 對(duì)于MIMO，下面的公式給出容量的計(jì)算方法：

4、MIMO容量隨著天線的數(shù)量呈線性增加。不對(duì)稱的天線星座分布(例如1x2或2x1)被稱為接收或發(fā)送分集。在這些情況下容量(CTx/Rx)隨天線的數(shù)量呈對(duì)數(shù)形式的增長(zhǎng)。 空間復(fù)用 通過一個(gè)以上的天線發(fā)送多組數(shù)據(jù)流稱為空間復(fù)用。有兩種類型必須考慮。 第一種類型為V-BLAST（Vertical Bell實(shí)驗(yàn)室分層空間-時(shí)間），它發(fā)送空間未編碼的數(shù)據(jù)流，不需要考慮在接收器上對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡處理。 第二種類型是通過空間-時(shí)間編碼實(shí)現(xiàn)的。與V-BLAST相比，空間時(shí)間編碼提供正交編碼方式，因此是獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。V-BLAST方法不能分離數(shù)據(jù)流，因此會(huì)出現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)流的干擾(MSI)。這會(huì)使傳輸變得不穩(wěn)定，而前向

5、錯(cuò)誤編碼并不總是能解決這個(gè)問題?？臻g-時(shí)間編碼信號(hào)的檢測(cè)基于一種簡(jiǎn)單的線性處理，并獲得合理的結(jié)果。空間復(fù)用的優(yōu)勢(shì)是，容量的增加與發(fā)送天線的數(shù)量線性相關(guān)。 空間分集 空間復(fù)用可以提供更高的容量，但是信號(hào)質(zhì)量并無改善?？臻g復(fù)用不僅沒有提高信號(hào)質(zhì)量，反而使信號(hào)質(zhì)量降低了?？臻g分集能改善信號(hào)質(zhì)量，并在接收端達(dá)到更高的信噪比。特別是在廣大的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，空間復(fù)用技術(shù)達(dá)到了自身的極限。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境越大，信號(hào)強(qiáng)度就必須越高。 分集原理依賴于結(jié)構(gòu)化冗余的傳輸。這種冗余可以在任何時(shí)間，從任何天線、通過任何頻率，或者以任何極化方式傳輸。而目前在MIMO技術(shù)中并沒有考慮后一種方法。必須考慮兩種空間分集：1. Tx分集，一個(gè)

6、信號(hào)的副本從另外一個(gè)天線發(fā)送(例如2x1)；2. Rx分集，接收到的信號(hào)進(jìn)行多次評(píng)估(例如2x1)。第一種可以與單聲道和立體聲信號(hào)相比。如果是立體聲信號(hào)，人耳可以感受到更好的聲音效果。第二種分集類似于兩只耳朵，所聽到的效果比單只耳朵更好。 圖1：MIMO物理信道的空間-時(shí)間編解碼為利用Tx分集，可以采用所謂的Alamouti空間-時(shí)間編碼(見圖3)。它可以獲得完全的分集，只使用一個(gè)接收天線。通過采用比發(fā)送天線更多的接收天線和一種合適的組合算法，可以使用Rx分集。交換組合或最大定量組合是兩個(gè)算法的例子。如果信道矩陣已知，這些算法與分集類型無關(guān)。用于空間分集的接收器算法見圖2。通過近場(chǎng)空間復(fù)用和遠(yuǎn)

7、場(chǎng)空間分集，可以實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的最佳性能和覆蓋范圍。 圖2：圖2用于空間分集的接收器算法，A和B為相同的信號(hào) 空間-時(shí)間編碼 空間-時(shí)間編碼改善了性能，并使空間分集可以使用。信號(hào)的副本不僅從另外一個(gè)天線發(fā)送，而且在另外的時(shí)間發(fā)送。這種延時(shí)發(fā)送稱為延時(shí)分集?？臻g-時(shí)間編碼結(jié)合了空間和時(shí)間信號(hào)副本，如圖3所示。 圖3：用于2個(gè)Tx天線空間-時(shí)間編碼的Alamouti空間-時(shí)間塊編碼 信號(hào)s1和s2在兩個(gè)數(shù)據(jù)鏈中復(fù)用。之后，加入一個(gè)信號(hào)復(fù)制來產(chǎn)生Alamouti空間-時(shí)間塊編碼。 空間-時(shí)間編碼可以用兩種不同的方法設(shè)計(jì)：1. 空間-時(shí)間塊編碼(STBC)(2個(gè)發(fā)送天線=Alamouti編碼，見圖3

8、)；2. 終態(tài)狀態(tài)機(jī)(FSM)產(chǎn)生空間-時(shí)間Trellis編碼(STTC)。第一種編碼是獲得空間分集的最簡(jiǎn)單方法，得到了廣泛的應(yīng)用。目前第二種編碼更復(fù)雜并且昂貴。對(duì)于超過兩個(gè)天線的情況，圖4中列出了幾種偽Alamouti編碼。 圖4：用于超過兩個(gè)發(fā)送天線的復(fù)合Alamouti編碼 圖4中的編碼指數(shù)首先與天線的數(shù)量有關(guān)，其次與空間數(shù)據(jù)流的數(shù)量相關(guān)。除了S42，這些編碼不能獲得完全分集，并且四個(gè)數(shù)據(jù)流只能通過空間復(fù)用實(shí)現(xiàn)，沒有任何空間分集。圖5中的編碼基于實(shí)際的空間-時(shí)間塊編碼設(shè)計(jì)，并產(chǎn)生具有完全空間復(fù)用的完全分集。 圖5：用于3個(gè)Tx天線的空間-時(shí)間塊編碼這種編碼的問題是碼率。碼率是所使用信號(hào)與

9、傳輸所需要時(shí)間的比值。上面的編碼具有1/2的碼率。 Vahid Tarokh開發(fā)了一種優(yōu)化的空間-時(shí)間塊編碼，用于將碼率增加到3/4。這種準(zhǔn)正交STBC(見圖6)很有效，但是允許一定的符號(hào)間干擾(ISI)。 圖6：用于3個(gè)Tx天線的優(yōu)化的空間-時(shí)間塊編碼 盡管存在符號(hào)間干擾，誤碼率(BER)依然在允許范圍內(nèi)。這些編碼都不能用來獲得像Alamouti那樣的全碼率。 空間數(shù)據(jù)流的數(shù)量不能超過現(xiàn)有天線的數(shù)量。注意空間分集和空間復(fù)用間的折衷對(duì)于可靠和強(qiáng)大的MIMO系統(tǒng)很重要。 在某些情況出現(xiàn)宏分集的概念。這種分集可以用在MIMO系統(tǒng)中，但是與這些系統(tǒng)無關(guān)。如果終端設(shè)備同時(shí)連接到多個(gè)基站，宏分集用于基站

10、切換處理。用戶終端從幾個(gè)方向接收到相同的信號(hào)，并將所有的信號(hào)組合起來獲得更高的SNR。 天線系統(tǒng) 在增加網(wǎng)絡(luò)容量上，天線技術(shù)很關(guān)鍵。這種技術(shù)開始于分扇區(qū)天線。這些天線覆蓋60或120度，作為一個(gè)蜂窩運(yùn)行。在GSM中，采用120度天線容量可以擴(kuò)大到3倍。自適應(yīng)天線陣列采用窄波束加強(qiáng)空間復(fù)用。智能天線屬于自適應(yīng)天線陣列，但是在智能DoA(到達(dá)方向)估計(jì)上不同。智能天線獨(dú)立于任何的支持的反饋，對(duì)用戶終端是透明的，可以形成特定用戶波束。可選的反饋可以降低陣列系統(tǒng)的復(fù)雜性。MIMO系統(tǒng)通常需要反饋，并且對(duì)用戶不是透明的。波束成形是用于創(chuàng)建天線陣列輻射模式的一種方法。它可以用在所有的天線陣列以及MIMO系

11、統(tǒng)。 圖7：交換波束形成和自適應(yīng)波束形成 智能天線被分成下面的兩類(圖7)：1. 具有有限個(gè)固定預(yù)定義模式的相位陣列系統(tǒng)(交換波束形成)；2. 具有無數(shù)個(gè)根據(jù)情況實(shí)時(shí)調(diào)整模式的自適應(yīng)陣列系統(tǒng)(AAS)(自適應(yīng)波束形成)。交換波束形成器計(jì)算DoA，并接通固定的波束。如果用戶移動(dòng)時(shí)跨越這些固定的波束，信號(hào)抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致中斷。換言之，用戶只能沿著波束中心才能獲得最佳的信號(hào)強(qiáng)度。自適應(yīng)波束成形器解決了這個(gè)問題，會(huì)根據(jù)移動(dòng)終端實(shí)時(shí)調(diào)整波束。這種系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本高于第一種類型。 MIMO和OFDM MIMO可以應(yīng)用于所有的無線通信技術(shù)。然而，MIMO和正交頻分復(fù)用(OFDM)的結(jié)合具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. OFDM適合于無線系統(tǒng)中的多徑傳播。OFDM幀的長(zhǎng)度決定于保護(hù)間隙(GI)。這個(gè)保護(hù)間隙限制最大路徑延時(shí)，以及與延時(shí)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)面積。MIMO也使用多徑傳播。2. OFDM是一種寬帶系統(tǒng)，具有很多窄帶子頻段。數(shù)學(xué)MIMO信道模型基于窄帶非頻率選擇性信道。OFDM也支持后者。寬帶系統(tǒng)的衰落效應(yīng)通常只發(fā)生在特定的頻率，與很少的子頻帶干擾。數(shù)據(jù)擴(kuò)展到所有的頻段，因此只有很少的數(shù)據(jù)位丟失，而這些丟失的數(shù)據(jù)位可以通過前向糾錯(cuò)(FEC)進(jìn)行修補(bǔ)。OFDM提供穩(wěn)固的多徑系統(tǒng)，適合于MIMO。同時(shí)OFDM提供高的頻譜效