MIMO技術(shù)及其在3G中的應用
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1 引言
隨著(zhù)移動(dòng)分組業(yè)務(wù)流量的不斷增加，人們對移動(dòng)通信空口帶寬的需求也不斷增加。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 BellLabs 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。
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。
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。
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。
（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。
當系統發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)（如TDD系統），系統會(huì )根據信道狀態(tài)調整每根天線(xiàn)發(fā)射信號的相位（數據相同），以保證在目標方向達到最大的增益；當系統發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時(shí)，可以采用隨機波束成形方法實(shí)現多用戶(hù)分集。
4 三種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應用場(chǎng)景
空間復用能最大化MIMO系統的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時(shí)使用，可能無(wú)法使用高階調制方式，如16QAM等。無(wú)線(xiàn)信號在密集城區、室內覆蓋等環(huán)境中會(huì )頻繁反射，使得多個(gè)空間信道之間的衰落特性更加獨立，從而使得空間復用的效果更加明顯。無(wú)線(xiàn)信號在市郊、農村地區，多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空間復用的效果要差許多。對發(fā)射信號進(jìn)行空時(shí)編碼可以獲得額外的分集增益和編碼增益，從而可以在信噪比相對較小的無(wú)線(xiàn)環(huán)境下使用高階調制方式，但無(wú)法獲取空間并行信道帶來(lái)的速率紅利?？諘r(shí)編碼技術(shù)在無(wú)線(xiàn)相關(guān)性較大的場(chǎng)合也能很好的發(fā)揮效能。
因此，在MIMO的實(shí)際使用中，空間復用技術(shù)往往和空時(shí)編碼結合使用。當信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性小時(shí)，發(fā)射端采用空間復用的發(fā)射方案，例如密集城區、室內覆蓋等場(chǎng)景；當信道間相關(guān)性大時(shí)，采用空時(shí)編碼的發(fā)射方案，例如市郊、農村地區。這也是3GPP在FDD系統中推薦的方式。
波束成型技術(shù)在能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)，可以實(shí)現較好的信號增益及干擾抑制，因此比較適合TDD系統。波束成型技術(shù)不適合密集城區、室內覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因，一方面接收端會(huì )收到太多路徑的信號，導致相位疊加的效果不佳；另一方面，大量的多徑信號會(huì )導致DOA信息估算困難。
5 MIMO技術(shù)在3G的應用
綜合使用空間復用技術(shù)和空時(shí)編碼技術(shù)，使得MIMO能夠在不同的使用場(chǎng)景下都發(fā)揮出良好的效果，3GPP組織也正是因為這一點(diǎn)，將MIMO技術(shù)納入了HSPA+標準（R7版本）。
出于成本及性能的綜合考慮，HSPA+中的MIMO采用的是2×2的天線(xiàn)模式：下行是雙天線(xiàn)發(fā)射，雙天線(xiàn)接收；上行為了降低終端的成本，縮小終端的體積，采用了單天線(xiàn)發(fā)射。也就是說(shuō)，MIMO的效用主要是用在下行，上行只是進(jìn)行傳輸天線(xiàn)選擇。
HSPA+中，MIMO規定了下行的Precoding預編碼矩陣，包括4種形式：
● 空間復用（Spatial Multiplexing）。
● 空時(shí)塊碼（Space Time Block Coding）。
● 波束成型（Beam Forming）。
● 發(fā)射分集（Transmit Diversity）。
在實(shí)際使用中，由基站根據無(wú)線(xiàn)環(huán)境的不同自動(dòng)選擇使用。
在HSPA+上行方面，MIMO技術(shù)有兩種天線(xiàn)選擇方案，即開(kāi)環(huán)和閉環(huán)。
● 開(kāi)環(huán)方案即TSTD（時(shí)分切換傳輸分集），上行數據輪流在天線(xiàn)間交替發(fā)送，從而避免單條信道的快衰落，參見(jiàn)圖4。
● 閉環(huán)方案中，終端必須從不同的天線(xiàn)發(fā)送參考符號，由基站進(jìn)行信道質(zhì)量測量，然后選擇信道質(zhì)量好的天線(xiàn)進(jìn)行數據發(fā)送，參見(jiàn)圖5。
MIMO技術(shù)能夠大大提高頻譜利用率，使得系統能在有限的無(wú)線(xiàn)頻帶下傳輸更高速率的數據業(yè)務(wù)。作為MIMO技術(shù)的發(fā)明者，阿爾卡特朗訊首先提出將MIMO技術(shù)加入3GPP標準，并積極推動(dòng)MIMO技術(shù)在HSPA+的應用。我們相信，MIMO技術(shù)必將在未來(lái)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中占據重要的位置。
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