MIMO技術(shù)在3G中的設計應用

1 引言

人們對移動(dòng)通信空口帶寬的需求不斷增加，為此，LTE選擇了MIMO等技術(shù)以實(shí)現高帶寬的目標。

由于LTE還需要一個(gè)較長(cháng)的周期才能實(shí)現商用，加之已經(jīng)部署的WCDMA網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)耗費了運營(yíng)商大量的投資，因此HSPA+作為一個(gè)過(guò)渡技術(shù)誕生了。HSPA+吸收了LTE中不少先進(jìn)技術(shù)，MIMO就是其中重要的一環(huán)。

2 定義和發(fā)展歷史

MIMO又稱(chēng)為多入多出（Multiple-Input Multiple-Output）系統，指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線(xiàn)的通信系統，在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。

MIMO技術(shù)最早是由馬可尼（Marconi）于1908年提出的，利用多天線(xiàn)來(lái)抑制信道衰落。70年代有人提出將多入多出技術(shù)用于通信系統，但是對無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動(dòng)的奠基工作則是90年代由Bell實(shí)驗室學(xué)者完成的：1995年Telatar給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia給出D-BLAST（Diagonal Bell Labs Layered Space-Time)算法；1998年Tarokh等討論了用于多入多出的空時(shí)碼；1998年Wolniansky等人采用V-BLAST（Vertical Bell Labs Layered Space-Time）算法建立了一個(gè)MIMO實(shí)驗系統，在室內試驗中達到了20bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統中極難實(shí)現。這些工作受到各國學(xué)者的極大注意，并使得MIMO的研究工作得到了迅速發(fā)展。

3 MIMO的3種主要技術(shù)

當前，MIMO技術(shù)主要通過(guò)3種方式來(lái)提升無(wú)線(xiàn)傳輸速率及品質(zhì)：

● 空間復用（Spatial Multiplexing）：系統將數據分割成多份，分別在發(fā)射端的多根天線(xiàn)上發(fā)射出去，接收端接收到多個(gè)數據的混合信號后，利用不同空間信道間獨立的衰落特性，區分出這些并行的數據流。從而達到在相同的頻率資源內獲取更高數據速率的目的。

● 傳輸分集技術(shù)，以空時(shí)編碼（Space Time Coding）為代表：在發(fā)射端對數據流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率?？諘r(shí)編碼通過(guò)在發(fā)射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益。

● 波束成型（Beam Forming）：系統通過(guò)多根天線(xiàn)產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將信號能量集中在欲傳輸的方向，從而提升信號質(zhì)量，并減少對其他用戶(hù)的干擾。

（1）空間復用

空間復用技術(shù)是在發(fā)射端發(fā)射相互獨立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，此時(shí)的空口信道容量隨著(zhù)天線(xiàn)數量的增加而線(xiàn)性增大，從而能夠顯著(zhù)提高系統的傳輸速率，參見(jiàn)圖1。



圖1 空間復用的系統示意框圖

使用空間復用技術(shù)時(shí)，接收端必須進(jìn)行復雜的解碼處理。業(yè)界主要的解碼算法有：迫零算法（ZF），MMSE算法，最大似然解碼算法（MLD），分層空時(shí)處理算法（BLAST，Bell Labs Layered Space-Time）。

其中迫零算法，MMSE算法是線(xiàn)性算法，比較容易實(shí)現，但對信道的信噪比要求較高，性能不佳；MLD算法具有很好的譯碼性能，但它的解碼復雜度隨著(zhù)發(fā)射天線(xiàn)個(gè)數的增加呈指數增加，因此，當發(fā)射天線(xiàn)的個(gè)數很大時(shí)，這種算法是不實(shí)用的；綜合前述算法優(yōu)點(diǎn)的BLAST算法是性能和復雜度最優(yōu)的。

BLAST算法是Bell實(shí)驗室提出的一種有效的空時(shí)處理算法，目前已廣泛應用于MIMO系統中。BLAST算法分為D-BLAST算法和V-BLAST算法。

D-BLAST算法是由貝爾實(shí)驗室的G.J.Foschini于1996年提出。對于D-BLAST算法，原始數據被分為若干子數據流，每個(gè)子流獨立進(jìn)行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線(xiàn)。D-BLAST的好處是每個(gè)子流的數據都可以通過(guò)不同的空間路徑到達接收端，從而提高了鏈路的可靠性，但其復雜度太大，難以實(shí)際使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進(jìn)的V-BLAST算法，該算法不再對所有接收到的信號同時(shí)解碼，而是先對最強信號進(jìn)行解碼，然后在接收信號中減去該最強信號，再對剩余信號中最強信號進(jìn)行解碼，再次減去，如此循環(huán)，直到所有信號都被解出。

2002年10月，世界上第一顆BLAST芯片在貝爾實(shí)驗室問(wèn)世，這標志了MIMO技術(shù)走向商用的開(kāi)始。

（2）空時(shí)編碼

空時(shí)編碼通過(guò)在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度，從而使信號在接受端獲得分集增益，但空時(shí)編碼方案不能提高數據率?？諘r(shí)編碼的系統框圖參見(jiàn)圖2。



圖2 空時(shí)編碼的系統示意框圖

空時(shí)編碼主要分為空時(shí)格碼和空時(shí)塊碼。

空時(shí)格碼在不犧牲系統帶寬的條件下，能使系統同時(shí)獲得分集增益和編碼增益。但是當天線(xiàn)個(gè)數一定時(shí)，空時(shí)格碼的解碼復雜度隨著(zhù)分集程度和發(fā)射速率的增加呈指數增加。

為減小接收機的解碼復雜度，Alamouti提出了空時(shí)塊碼（STBC）的概念，STBC使得接收端只需采用簡(jiǎn)單的線(xiàn)形處理進(jìn)行解碼，從而降低了接收機的復雜度。

（3）波束成型

波束成型技術(shù)又稱(chēng)為智能天線(xiàn)（Smart Antenna），通過(guò)對多根天線(xiàn)輸出信號的相關(guān)性進(jìn)行相位加權，使信號在某個(gè)方向形成同相疊加（Constructive Interference），在其他方向形成相位抵消（Destructive Interference），從而實(shí)現信號的增益，參見(jiàn)圖3。



圖3 定向智能天線(xiàn)的信號仿真效果