MIMO -多入多出技術

MIMO

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線,使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收,從而改善通信質量。它能充分利用空間資源,通過多個天線實現多發多收,在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下,可以成倍的提高系統信道容量,顯示出明顯的優勢、被視為下一代移動通信的核心技術。

  • 中文名稱
    多輸入多輸出系統
  • 外文名稱
    Multiple-Input Multiple-Out-put
  • 簡稱
    MIMO
  • 套用學科
  • 標準協定
    IEEE802.11n

基本簡介

MIMO技術最早是由馬可尼於1908年提出的,它利用發射端的多個天線各自獨立傳送信號,同時在接收端用多個天線接收並恢復原信息,就可以實現以更小的代價達到更高的用戶速率。

原理介紹

多輸入多輸出技術(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線,使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收,從而改善通信質量。它能充分利用空間資源,通過多個天線實現多發多收,在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下,可以成倍的提高系統信道容量,顯示出明顯的優勢、被視為下一代移動通信的核心技術。

圖1圖1

圖1是MIMO系統的一個原理框圖。

發射端通過空時映射將要傳送的數據信號映射到多根天線上傳送出去,接收端將各根天線接收到的信號進行空時解碼從而恢復出發射端傳送的數據信號。根據空時映射方法的不同,MIMO技術大致可以分為兩類:空間分集和空間復用。空間分集是指利用多根傳送天線將具有相同信息的信號通過不同的路徑傳送出去,同時在接收機端獲得同一個數據符號的多個獨立衰落的信號,從而獲得分集提高的接收可靠性。舉例來說,在慢瑞利衰落信道中,使用一根發射天線n 根接收天線,傳送信號通過n 個不同的路徑。如果各個天線之間的衰落是獨立的,可以獲得最大的分集增益為n 。對於發射分集技術來說,同樣是利用多條路徑的增益來提高系統的可靠性。在一個具有m根發射天線n 根接收天線的系統中,如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落,可以獲得的最大分集增益為mn。目前在MIMO系統中常用的空間分集技術主要有空時分組碼(Space Time Block Code,STBC)和波束成形技術。STBC是基於傳送分集的一種重要編碼形式,其中最基本的是針對二天線設計的Alamouti方案,具體編碼過程如圖2所示。

圖2 Alamouti 編碼過程示意

圖2圖2

可以發現STBC方法,其最重要的地方就是使得多根天線上面要傳輸的信號矢量相互正交,如圖2-19中x 1和x 2的內積為0,這時接收端就可以利用傳送端信號矢量的正交性恢復出傳送的數據信號。使用STBC技術,能夠達到滿分集的效果,即在具有M根發射天線N 根接收天線的系統中採用STBC技術時最大分集增益為MN。波束成形技術是通過不同的發射天線來傳送相同的數據,形成指向某些用戶的賦形波束,從而有效提高天線增益。為了能夠最大化指向用戶的波束的信號強度,通常波束成形技術需要計算各個發射天線上傳送數據的相位和功率,也稱之威波束成形矢量。常見的波束成形矢量計算方法有最大特徵值向量、MUSIC算法等。M根發射天線採用波束成形技術可以獲得的最大傳送分集增益為M。空間復用技術是將要傳送的數據可以分成幾個數據流,然後在不同的天線上進行傳輸,從而提高系統的傳輸速率。常用的空間復用方法是貝爾實驗室提出的垂直分層空時碼,即V-BLAST技術,如圖3所示。

圖3 V-BLAST 系統傳送示意

圖3圖3

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系統是一項運用於802.11n的核心技術。

802.11n是IEEE繼802.11b\a\g後全新的無線區域網路技術,速度可達600Mbps。同時,專有MIMO技術可改進已有802.11a/b/g網路的性能。該技術最早是由Marconi於1908年提出的,它利用多天線來抑制信道衰落。根據收發兩端天線數量,相對於普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統,MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統。

優點介紹

無線電傳送的信號被反射時,會產生多份信號。每份信號都是一個空間流。使用單輸入單輸出(SISO)的系統一次只能傳送或接收一個空間流。MIMO允許多個天線同時傳送和接收多個空間流,並能夠區分發往或來自不同空間方位的信號。MIMO 技術的套用,使空間成為一種可以用於提高性能的資源,並能夠增加無線系統的覆蓋範圍。

  • 提高信道的容量

MIMO接入點到MIMO客戶端之間,可以同時傳送和接收多個空間流,信道容量可以隨著天線數量的增大而線性增大,因此可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量,在不增加頻寬和天線傳送功率的情況下,頻譜利用率可以成倍地提高。

  • 提高信道的可靠性

利用MIMO信道提供的空間復用增益及空間分集增益,可以利用多天線來抑制信道衰落。多天線系統的套用,使得並行數據流可以同時傳送,可以顯著克服信道的衰落,降低誤碼率。

潛力介紹

通常,多徑要引起衰落,因而被視為有害因素。然而研究結果表明,對於MIMO系統來說,多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統在發射端和接收端均採用多天線(或陣列天線)和多通道,MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。傳輸信息流s(k)經過空時編碼形成N個信息子流ci(k),I=1,……,N。這N個子流由N個天線發射出去,經空間信道後由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開並解碼這些數據子流,從而實現最佳的處理。

特別是,這N個子流同時傳送到信道,各發射信號占用同一頻帶,因而並未增加頻寬。若各發射接收天線間的通道回響獨立,則多入多出系統可以創造多個並行空間信道。通過這些並行空間信道獨立地傳輸信息,數據率必然可以提高。

MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行最佳化,從而實現高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近於最優的空域時域聯合的分集和乾擾對消處理。

系統容量是表征通信系統的最重要標誌之一,表示了通信系統最大傳輸率。對於發射天線數為N,接收天線數為M的多入多出(MIMO)系統,假定信道為獨立的瑞利衰落信道,並設N、M很大,則信道容量C近似為:C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)

其中B為信號頻寬,ρ為接收端平均信噪比,min(M,N)為M,N的較小者。上式表明,功率和頻寬固定時,多入多出系統的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。而在同樣條件下,在接收端或發射端採用多天線或天線陣列的普通智慧型天線系統,其容量僅隨天線數的對數增加而增加。相對而言,多入多出對於提高無線通信系統的容量具有極大的潛力。

理論容量與天線數關係:

(1)圖4-4所示的四條信道容量曲線的發射天線數量 都為4,以接收天線數量 為橫軸,信噪比依次為0dB、5dB、10dB、15dB。從這四條不同的曲線我們可以得出結論:

圖4-4圖4-4

1.發射天線數量一定,信噪比不變時信道容量隨著接收天線數的增多而增大,且增大的幅度越來越小。

2.發射天線和接收天線的數量均相同,信道容量隨信噪比的增大而增大。

(2)圖4-5所示的四條信道容量曲線的接收天線數量 都為4,以發射天線數量 為橫軸,信噪比分別為0dB、5dB、10dB、15dB。從這四條不同的曲線我們可以得出結論:

1.接收天線數量一定,信噪比不變時信道容量隨著發射天線數的增多而增大,增大的幅度會越來越小。

2.當發射天線數大於接收天線數時,信道容量增大的幅度會大幅度減緩,當 >10以後,信道容量基本上就沒有多大變化。

由上述結論我們可以看到信道容量隨著天線數量的增大而線性增大。也就是說可以在不增加頻寬和天線傳送功率的情況下利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量,證明了MIMO信道系統理論的正確性。

發展歷史

MIMO

實際上多輸入多輸出(MIMO)技術由來已久,早在1908年馬可尼就提出用它來抗衰落。在20世紀70年代有人提出將多入多出技術用於通信系統,但是對無線移動通信系統多入多出技術產生巨大推動的奠基工作則是上世紀90年代由AT&TBell實驗室的學者完成的。

1990年代,全世界無線通信領域均針對多天線系統進行研究,希望創作出能指向接收者之波束成型技術,亦即是所謂智慧型天線 —— 一種能使波束聰明地追蹤接收者(即行動電話)的技術,如同有個人持著天線到處移動,就像一道自手電筒射出的光束可追蹤一位在黑暗中移動的人一樣。智慧型天線藉由波束對其指向(亦即對目標接收者)的相長干涉(constructive interference)及同時間該波束對目標接收者指向以外其他方向之相消干涉(destructive interference)來增加信號增益,以實現上述智慧型天線的優點,並對於此傳送單位上的多天線間,採用一較窄的天線間距來實現此波束。一般以傳送信號之一半波長作為實體的天線間距,以滿足空間上的採樣定理且避免旁瓣輻射(grating lobes),亦即空間上的混疊。

波束成型技術的缺點乃是在都市的環境中,信號容易朝向建築物或移動的車輛等目標分散,因而模糊其波束的集中特性(即相長干涉),喪失多數的信號增益及減少乾擾的特性。然而此項缺點卻隨著空間分集及空間多工的技術在 1990 年代末的發展,而突然轉變為優勢。這些方法利用多徑(multipath propagation)現象來增加數據吞吐量、傳送距離,或減少比特錯誤率。這些型態的系統在選擇實體的天線間距時,通常以大於被傳送信號的波長的距離為實作,以確保 MIMO 頻道間的低關聯性及高分集階數(diversity order)。

複合技術

MIMO 此科技與平坦衰落信道(flat fading channels)兼用時最佳,以降低接收端信道均衡器之複雜度及維持接收端的低功率耗損,也因此 MIMO 多半與 OFDM 結合為複合技術。MIMO-OFDM同時為IEEE 802.16及 IEEE 802.11n HT(High-Throughput)的採用標準之一。WCDMA 的系統,如 HSDPA,亦進行將 MIMO 技術標準化的動作。

技術介紹

所謂的MIMO,就字面上看到的意思,是Multiple Input Multiple Output(多入多出)的縮寫,大部分您所看到的說法,都是指無線網路訊號通過多重天線進行同步收發,所以可以增加資料傳輸率。

然而比較正確的解釋,應該是說,網路資料通過多重切割之後,經過多重天線進行同步傳送,由於無線訊號在傳送的過程當中,為了避免發生乾擾起見,會走不同的反射或穿透路徑,因此到達接收端的時間會不一致。為了避免資料不一致而無法重新組合,因此接收端會同時具備多重天線接收,然後利用DSP重新計算的方式,根據時間差的因素,將分開的資料重新作組合,然後傳送出正確且快速的資料流。

由於傳送的資料經過分割傳送,不僅單一資料流量降低,可拉高傳送距離,又增加天線接收範圍,因此MIMO技術不僅可以增加既有無線網路頻譜的資料傳輸速度,而且又不用額外占用頻譜範圍,更重要的是,還能增加訊號接收距離。所以不少強調資料傳輸速度與傳輸距離的無線網路設備,紛紛開始拋開對既有Wi-Fi聯盟的兼容性要求,而採用MIMO的技術,推出高傳輸率的無線網路產品。

MIMO技術大致可以分為兩類:發射/接收分集和空間復用。傳統的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號通過不同的路徑被傳送出去,在接收機端可以獲得數據符號多個獨立衰落的複製品,從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說,在慢瑞利衰落信道中,使用1根發射天線n根接收天線,傳送信號通過n個不同的路徑。如果各個天線之間的衰落是獨立的,可以獲得最大的分集增益為n,平均誤差機率可以減小到 ,單天線衰落信道的平均誤差機率為 。對於發射分集技術來說,同樣是利用多條路徑的增益來提高系統的可靠性。在一個具有m根發射天線n根接收天線的系統中,如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落,可以獲得的最大分集增益為mn。智慧型天線技術也是通過不同的發射天線來傳送相同的數據,形成指向某些用戶的賦形波束,從而有效的提高天線增益,降低用戶間的乾擾。廣義上來說,智慧型天線技術也可以算一種天線分集技術。

MIMOMIMO

分集技術主要用來對抗信道衰落。相反,MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來增加通信中的自由度(degrees of freedom)。從本質上來講,如果每對傳送接收天線之間的衰落是獨立的,那么可以產生多個並行的子信道。如果在這些並行的子信道上傳輸不同的信息流,可以提供傳輸數據速率,這被稱為空間復用。需要特別指出的是在高SNR的情況下,傳輸速率是自由度受限的,此時對於m根發射天線n根接收天線,並且天線對之間是獨立均勻分布的瑞利衰落的。

根據子數據流與天線之間的對應關係,空間多路復用系統大致分為三種模式:D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

D-BLAST

D-BLAST最先由貝爾實驗室的Gerard J. Foschini提出。原始數據被分為若干子流,每個子流之間分別進行編碼,但子流之間不共享信息比特,每一個子流與一根天線相對應,但是這種對應關係周期性改變,如圖1.b所示,它的每一層在時間與空間上均呈對角線形狀,稱為D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好處是,使得所有層的數據可以通過不同的路徑傳送到接收機端,提高了鏈路的可靠性。其主要缺點是,由於符號在空間與時間上呈對角線形狀,使得一部分空時單元被浪費,或者增加了傳輸數據的冗餘。如圖1.b所示,在數據傳送開始時,有一部分空時單元未被填入符號(對應圖中右下角空白部分),為了保證D-BLAST的空時結構,在傳送結束肯定也有一部分空時單元被浪費。如果採用burst模式的數字通信,並且一個burst的長度大於M(傳送天線數目)個傳送時間間隔 ,那么burst的長度越小,這種浪費越嚴重。它的數據檢測需要一層一層的進行,如圖1.b所示:先檢測c0、c1和c2,然後a0、a1和a2,接著b0、b1和b2……

V-BLAST

另外一種簡化了的BLAST結構同樣最先由貝爾實驗室提出。它採用一種直接的天線與層的對應關係,即編碼後的第k個子流直接送到第k根天線,不進行數據流與天線之間對應關係的周期改變。如圖1.c所示,它的數據流在時間與空間上為連續的垂直列向量,稱為V-BLAST(Vertical-BLAST)。由於V-BLAST中數據子流與天線之間只是簡單的對應關係,因此在檢測過程中,只要知道數據來自哪根天線即可以判斷其是哪一層的數據,檢測過程簡單。

(圖1)

T-BLAST

考慮到D-BLAST以及V-BALST模式的優缺點,一種不同於D-DBLAST與V-BLAST的空時編碼結構被提出:T-BLAST。等文獻分別提及這種結構。它的層在空間與時間上呈螺紋(Threaded)狀分布,如圖2所示。原始數據流被多路分解為若干子流之後,每個子流被對應的天線傳送出去,並且這種對應關係周期性改變,與D-BLAST系統不同的是,在傳送的初始階段並不是只有一根天線進行傳送,而是所有天線均進行傳送,使得單從一個傳送時間間隔 來看,它的空時分布很像V-BALST,只不過在不同的時間間隔中,子數據流與天線的對應關係周期性改變。更普通的T-BLAST結構是這種對應關係不是周期性改變,而是隨機改變。這樣T-BLAST不僅可以使得所有子流共享空間信道,而且沒有空時單元的浪費,並且可以使用V-BLAST檢測算法進行檢測。

MIMOMIMO

技術分類

空分復用

(spatial multiplexing)工作在MIMO天線配置下,能夠在不增加頻寬的條件下,相比SISO系統成倍地提升信息傳輸速率,從而極大地提高了頻譜利用率。在發射端,高速率的數據流被分割為多個較低速率的子數據流,不同的子數據流在不同的發射天線上在相同頻段上發射出去。如果發射端與接收端的天線陣列之間構成的空域子信道足夠不同,即能夠在時域和頻域之外額外提供空域的維度,使得在不同發射天線上傳送的信號之間能夠相互區別,因此接收機能夠區分出這些並行的子數據流,而不需付出額外的頻率或者時間資源。空間復用技術在高信噪比條件下能夠極大提高信道容量,並且能夠在“開環”,即發射端無法獲得信道信息的條件下使用。Foschini等人提出的“貝爾實驗室分層空時”(BLAST)是典型的空間復用技術。

空間分集

(spatial diversity):利用發射或接收端的多根天線所提供的多重傳輸途徑傳送相同的資料,以增強資料的傳輸品質。

波束成型

(beamforming):藉由多根天線產生一個具有指向性的波束,將能量集中在欲傳輸的方向,增加信號品質,並減少與其他用戶間的乾擾。

預編碼

(precoding):預編碼主要是通過改造信道的特性來實現性能的提升。

以上 MIMO 相關技術並非相斥,而是可以相互配合套用的,如一個 MIMO 系統即可以包含空分復用和分集的技術。

研究狀況

在MIMO系統理論及性能研究方面已有一批文獻,這些文獻涉及相當廣泛的內容。但是由於無線移動通信MIMO信道是一個時變、非平穩多入多出系統,尚有大量問題需要研究。比如說,各文獻大多假定信道為分段-恆定衰落信道。這對於寬頻信號的4G系統及室外快速移動系統來說是不夠的,因此必須採用複雜的模型進行研究。已有不少文獻在進行這方面的工作,即對信道為頻率選擇性衰落和移動台快速移動情況進行研究。再有,在基本文獻中,均假定接收機精確已知多徑信道參數,為此,必須傳送訓練序列對接收機進行訓練。但是若移動台移動速度過快,就使得訓練時間太短,這樣快速信道估計或盲處理就成為重要的研究內容。

另外實驗系統是MIMO技術研究的重要一步。實際系統研究的一個重要問題是在移動終端實現多天線和多路接收,學者們正大力進行這方面的研究。由於移動終端設備要求體積小、重量輕、耗電小,因而還有大量工作要做。目前各大公司均在研製實驗系統。

Bell實驗室的BLAST系統[4]是最早研製的MIMO實驗系統。該系統工作頻率為1.9GHz,發射8天線,接收12天線,採用D-BLAST算法。頻譜利用率達到了25.9bits/(Hz·s)。但該系統僅對窄帶信號和室內環境進行了研究,對於在3G、4G套用尚有相當大距離。在傳送端和接收端各設定多重天線,可以提供空間分集效應,克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當的多副天線提供多個空間信道,不會全部同時受到衰落。在上述具體實驗系統中,每一基台各設定2副傳送天線和3副接收天線,而每一用戶終端各設定1副傳送天線和3副接收天線,即下行通路設定2×3天線、上行通路設定1×3天線。這樣與“單輸入/單輸出天線”SISO相比,傳輸上取得了10~20dB的好處,相應地加大了系統容量。而且,基台的兩副傳送天線於必要時可以用來傳輸不同的數據信號,用戶傳送的數據速率可以加倍。

朗訊科技的貝爾實驗室分層的空時(BLAST)技術是移動通信方面領先的MIMO套用技術,是其智慧型天線的進一步發展。BLAST技術就其原理而言,是利用每對傳送和接收天線上信號特有的“空間標識”,在接收端對其進行“恢復”。利用BLAST技術,如同在原有頻段上建立了多個互不乾擾、並行的子信道,並利用先進的多用戶檢測技術,同時準確高效地傳送用戶數據,其結果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLAST技術證明,在天線傳送和接收端同時採用多天線陣,更能夠充分利用多徑傳播,達到“變廢為寶”的效果,提高系統容量。理論研究業已證明,採用BLAST技術,系統頻譜效率可以隨天線個數成線性增長,也就是說,只要允許增加天線個數,系統容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術有著非常大的潛力。鑒於對於無線通信理論的突出貢獻,BLAST技術獲得了2002年度美國ThomasEdison(愛迪生)發明獎。

重大曆程

2002年10月

世界上第一顆BLAST晶片在朗訊公司貝爾實驗室問世,貝爾實驗室研究小組設計小組宣布推出了業內第一款結合了貝爾實驗室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技術的晶片,這一晶片支持最高4×4的天線布局,可處理的最高數據速率達到19.2Mbps。該技術用於移動通信,BLAST晶片使終端能夠在3G行動網路中接收每秒19.2兆比特的數據,現在,朗訊科技已經開始將此BLAST晶片套用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中,同時還計畫授權終端製造商使用該BLAST晶片,以提高無線3G數據終端支持高速數據接入的能力。

2003年8月

AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi晶片組,並稱其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技術的批量上市產品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術,將現在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps,同時保持與所有常用Wi-Fi標準的兼容性。該產品集成兩片晶片,包括一片Baseband/MAC晶片(AGN100BB)和一片RF晶片(AGN100RF),採用一種可伸縮結構,使製造商可以只使用一片RF晶片實現單天線系統,或增加其他RF晶片提升性能。該晶片支持所有的802.11 a、b和g模式,包含IEEE 802.11工作組推出最新標準(包括TGi安全和TGe質量的服務功能)。

Airgo的晶片組和目前的Wi-Fi標準兼容,支持802.11a, "b,"和"g"模式,使用三個5-GHz和三個2.4-GHz天線,使用Airgo晶片組的無線設備可以和以前的802.11設備通訊,甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設備通訊的同時還可以以108Mbps的速度和Airgo的設備通訊。

相關套用

無線寬頻移動通信

為了提高系統容量,下一代的無線寬頻移動通信系統將會採用MIMO技術,即在基站端放置多個天線,在移動台也放置多個天線,基站和移動台之間形成MIMO通信鏈路。套用MIMO技術的無線寬頻移動通信系統從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類:一類是多個基站天線集中排列形成天線陣列,放置於覆蓋小區,這一類可以稱為集中式MIMO;另一類是基站的多個天線分散放置在覆蓋小區,可以稱為分散式MIMO。

傳統蜂窩移動通信系統

MIMO技術可以比較簡單地直接套用於傳統蜂窩移動通信系統,將基站的單天線換為多個天線構成的天線陣列。基站通過天線陣列與小區內的具有多個天線的移動台進行MIMO通信。從系統結構的角度看,這樣的MIMO系統與傳統的單入單出(SISO)蜂窩通信系統相比並沒有根本的區別。

和傳統的分散式天線系統相結合

傳統的分散式天線系統可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗,能夠在小區內形成良好的系統覆蓋,解決小區內的通信死角,提高通信服務質量。最近在MIMO技術的研究中發現,傳統的分散式天線系統與MIMO技術相結合可以提高系統容量,這種新的分散式MIMO系統結構——分散式無線通信系統(DWCS)[8]成為MIMO技術的重要研究熱點。

在採用分散式MIMO的DWCS系統中,分散在小區內的多個天線通過光纖和基站處理器相連線。具有多天線的移動台和分散在附近的基站天線進行通信,與基站建立了MIMO通信鏈路。這樣的系統結構不僅具備了傳統的分散式天線系統的優勢,減少了路徑損耗,克服了陰影效應,同時還通過MIMO技術顯著提高了信道容量。與集中式MIMO相比,DWCS的基站天線之間距離較遠,不同天線與移動台之間形成的信道衰落可以看作完全不相關,信道容量更大。總體上說,分散式MIMO系統的信道容量更大,系統功耗更小,系統覆蓋性能更好,系統具有更好的擴展性和靈活性。

分散式MIMO的DWCS系統也帶來了一些新問題。移動台和小區內鄰近的天線建立的MIMO鏈路,由於基站不同天線的位置不同,它們距離移動台的距離不同,使得基站端的多個天線的信號到達移動台的延時也不同,因此帶來新的研究問題。目前在這方面研究較多的是進行容量分析。除此之外的研究內容還包括:具體的同步技術、信道估計、天線選擇、發射方案、信號檢測技術等,這些問題有待深入研究。

無線通信領域

MIMO技術已經成為無線通信領域的關鍵技術之一,通過近幾年的持續發展,MIMO技術將越來越多地套用於各種無線通信系統。在無線寬頻移動通信系統方面,第3代移動通信合作計畫(3GPP)已經在標準中加入了MIMO技術相關的內容,B3G和4G的系統中也將套用MIMO技術。在無線寬頻接入系統中,正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標準也採用了MIMO技術。在其他無線通信系統研究中,如超寬頻(UWB)系統、感知無線電系統(CR),都在考慮套用MIMO技術。

隨著使用天線數目的增加,MIMO技術實現的複雜度大幅度增高,從而限制了天線的使用數目,不能充分發揮MIMO技術的優勢。目前,如何在保證一定的系統性能的基礎上降低MIMO技術的算法複雜度和實現複雜度,成為業界面對的巨大挑戰。

雷達領域

MIMO技術同樣也套用於雷達領域,主要通過多個天線發射不同的正交波形,同時覆蓋較大空域,並利用長時間相干積累來獲得較高的信噪比。

下行傳輸

LTER8/R9版本中下行引入了8種MIMO傳輸模式,其中LTEFDD常用的MIMO傳輸模式為模式1到模式6(TM1~TM6),而模式7(TM7)和模式8(TM8)主要套用於TDLTE系統中,下面是不同傳輸模式的簡要說明。

–模式1:單天線連線埠傳輸(連線埠0)。

–模式2:開環發射分集。

–模式3:大延遲CDD空間復用與開環發射分集自適應。

–模式4:閉環空間復用與開環發射分集自適應。

–模式5:多用戶MIMO與開環發射分集自適應。

–模式6:單層閉環空間復用與開環發射分集自適應。

–模式7:單流波束賦形(連線埠5)與開環發射分集或單天線連線埠傳輸(連線埠0)自適應。

–模式8:雙流波束賦形(連線埠7和連線埠8)或單流波束賦形(連線埠7或連線埠8)與開環發射分集或單天線連線埠傳輸(連線埠0)自適應。

圖6所示是LTE系統中下行物理層處理過程,其中MIMO技術主要涉及到層映射和預編碼兩部分處理過程。層映射主要是根據傳輸的碼字(單碼字或雙碼字)和傳輸層數(取決於發射端天線數量),將數據流映射到不同的傳輸層。預編碼的主要目的是使傳輸的信號更好地匹配信道條件,以獲得更好的傳輸質量。預編碼有基於碼本和非碼本兩種方式。LTEFDD主要使用基於碼本的預編碼方式,主要是因為LTEFDD工作時上下行鏈路使用不同的頻率,當有較大的雙工間隔時,不能夠直接使用反向信道的測量來估計正向信道的條件,所以主要依靠終端的反饋來輔助預編碼。而TDLTE因為可以使用信道互易性,所以更容易實現基於非碼本的預編碼工作方式。下面對不同的傳輸技術進行簡要的介紹。

圖6  LTE系統下行物理層的處理過程圖6 LTE系統下行物理層的處理過程

1.開環發射分集

當終端處於無線信號質量較差的場景或終端移動速度較快時,及時準確地掌握下行信道的質量狀況較為困難,這時使用開環發射分集技術可以有效對抗信道衰落,提高接收端的信噪比。

開環發射分集工作方式採用單碼字傳輸,也就是將一路數據流同時映射到2層或者4層進行傳輸,在接收端將多個發射天線的信號進行合併處理獲得額外分集增益,具體的層映射過程參見下行鏈路傳輸技術中的物理信道處理。

在LTE系統中,下行鏈路使用OFDM技術,因此為了適應頻域信號處理的要求而採用了SFTD(SpaceFrequencyTransmitDiversity,空頻發射分集)工作方式。SFTD基於SFBC(SpaceFrequencyBlockCoding,空頻塊編碼)技術。

對於Alamouti編碼,一個缺點是當發射天線數目大於2時,理論上證明不存在正交的可用於全速率傳輸的編碼方式,因此對於4天線開環發射分集,採用了結合SFTD和FSTD(FrequencySwitchTransmitDiversity,頻率交換髮射分集)的工作方式(如圖8所示),實際上是將4個天線分為兩組,分別為第一組天線(天線連線埠0、2)和第二組天線(天線連線埠1、3),每組天線內採用SFTD工作方式,天線組間採用FSTD工作方式。採用這種在天線間交織的工作方式,主要原因是天線連線埠0、1的參考信號密度較大,天線連線埠2、3的參考信號密度較小,使用天線分組交織的工作方式可以保證兩組SFBC碼塊有較平衡的解碼性能。開環發射分集預編碼過程具體方案可以參見下行鏈路傳輸技術中的物理信道處理。

圖7  兩天線SFTD工作原理示意圖7 兩天線SFTD工作原理示意 圖8  四天線SFTD+FSTD工作原理示意圖8 四天線SFTD+FSTD工作原理示意

2.空間復用

當終端處於無線信號質量較好且存在豐富的多徑資源的場景時,則可以在MIMO系統的不同信道間共享高信噪比,為用戶提供並行傳輸多路數據的服務,有效提高單用戶的數據吞吐率和系統的吞吐量。假設MIMO系統中發射機有NT個發射天線,接收機有NR個接收天線,根據多天線理論可以知道,接收端的信噪比與單天線傳輸相比最大可以提高NT×NR倍,因此在功率和頻寬不受限的條件下用戶的數據傳輸速率可以得到顯著提高。式(4)為單天線系統中的信道容量理論計算方法,當信噪比提高NT×NR倍時,利用原有的傳輸頻寬,可以近似認為信道容量提高log2(NT×NR)倍。在實際套用時,MIMO信道數量可能會少於發射端或接收端最少天線數目,假設為M,M≤min{NT,NR},則實際MIMO系統的信道容量可以參考式5的計算方法。3GPPR8/R9版本標準中制定了3種空間復用工作方式,分別是大延遲CCD空間復用、閉環空間復用和單層閉環空間復用。下面分別進行簡單的介紹。

公式4

MIMO

公式5

MIMO

3.大延遲CDD空間復用

大延遲CDD空間復用技術是將CDD(CyclicDelayDiversity,循環延遲分集)技術和空間復用技術進行組合套用。CDD技術可以認為是分集技術的一種,通過在不同的天線連線埠人為增加不同的時延,相當於進行了信道無關的頻率選擇性預編碼。這樣的預編碼可以使傳輸信號和實際信道匹配得較好,從而有效提高接收端信噪比,但也有可能使傳輸信號與信道矩陣失配而降低接收端信噪比,所以CDD技術的性能和時延的選擇有直接關係。LTE系統中採用支持較大延遲的CDD技術,保證在一定的傳輸頻寬內能夠實現較大的信噪比變化,使得各層的信號能夠有相近的信道質量,如果終端側使用MMSE接收機就能夠獲得一定增益。CDD技術的工作原理如圖9所示。

圖9  兩天線CDD技術工作示意圖9 兩天線CDD技術工作示意

大延遲CDD空間復用技術採用雙碼字傳輸,也就是兩路不同的數據流同時映射到2~4層進行傳輸,高信噪比保證了使用多碼字時的傳輸質量,有效提高了數據傳輸速率。具體層映射過程參見下行鏈路傳輸技術中的物理信道處理。

大延遲CDD空間復用技術的預編碼過程見式(6)。其中W是基於碼本的預編碼矩陣。因為大延遲CDD空間復用是一種開環空間復用,也就是終端反饋時可以反饋CQI(ChannelQualityIndicator,信道質量指示)和RI(RankIndicator,秩指示)信息,但不反饋PMI(PrecodingMatrixIndicator,預編碼矩陣指示)信息,因此預編碼矩陣W是由網路側進行選擇的。D是延時矩陣,U是單位矩陣,通過D和U矩陣可以實現不同層信號間的均衡。W、D和U矩陣的具體取值參考下行鏈路傳輸技術中的物理信道處理。              

公式6公式6

4.閉環空間復用

閉環空間復用可以採用單碼字或雙碼字傳輸。單碼字傳輸對應模式6,也就是單層閉環空間復用技術。雙碼字傳輸對應模式4,也就是常說的閉環空間復用技術。對於單層閉環空間復用技術,一路數據流映射到一層傳輸,對應於RI=1的情況,這時工作原理類似於基於小區公共參考信號的波束賦形,可以有效提高小區的覆蓋能力。對於雙層閉環空間復用技術,兩路不同的數據流同時可以映射到2~4層,用於信噪比條件較好且終端移動速度較低的場景,可以有效提高數據傳輸速率。具體層映射過程參見下行鏈路傳輸技術中的物理信道處理。

閉環空間復用和開環空間復用的主要區別是閉環空間復用需要終端反饋PMI信息,PMI信息的內容是終端從給定的預編碼矩陣中選擇的一個合適的W矩陣。網路側根據終端反饋的PMI信息選擇合適的預編碼矩陣W(可以與終端反饋的不同),這樣可以提高預編碼的準確程度,帶來一定的增益。但是在終端移動速度較快時,反饋的延時可能造成反饋的信息相對滯後,反而會影響網路的性能。閉環空間復用的預編碼過程見式7,具體的W矩陣取值參見下行鏈路傳輸技術中的物理信道處理。

公式7公式7

5.多用戶MIMO

空間復用技術的另一種套用方式就是在小區內的多個用戶間實現高信噪比的共享,也就是所謂的MU-MIMO(Multi-UserMIMO,多用戶MIMO)技術。MU-MIMO的工作原理是網路側使用相同的時頻資源同時向不同的用戶傳送數據,通過空間來分隔這些用戶,也就是類似於SDMA(SpatialDivisionMultipleAccess,空分多址)接入技術。如圖8所示,左側是單用戶MIMO工作方式,兩路數據同時傳送給某一個用戶,顯著提高該用戶的峰值吞吐量;右側是MU-MIMO工作方式,兩路數據分別傳送給不同的用戶,有助於提高小區平均吞吐量。處於MU-MIMO工作方式的用戶間信道有較大的相關性,因此需要保證配對用戶間有較好的空間隔離度,需要通過較窄的傳輸波束對準不同的終端來降低對其他用戶的乾擾。因為這時信道間的相關性很強,也可以認為是RI=1波束賦形。對於MU-MIMO技術,最關鍵的是如何找到合適的配對終端,這些終端間需要有非常好的空間隔離性,以及同時傳送數據的請求,這不僅對基站側的調度器提出了很高的要求,同時也需要小區內有較多的用戶時才可能滿足MU-MIMO工作方式的場景。

3GPPR8/R9版本標準中定義的模式5工作方式是一種基於小區參考信號的MU-MIMO工作方式,同時基於碼本傳輸,具體的預編碼過程、碼本選擇和閉環空間復用過程一致,每個配對用戶占用一層進行數據傳輸,總共可以同時傳輸兩層數據,也就是有兩個配對用戶。

圖10  多用戶MIMO工作示意圖10 多用戶MIMO工作示意

6.波束賦形

波束賦形是TD-LTE系統中常用的多天線傳輸方式,需要基站配置天線陣元間距較小的陣列天線。波束賦形的操作和線性預編碼過程非常相似,但工作原理有一定區別,波束賦形主要依靠信道間的強相關性以及電磁波的干涉原理,在天線陣列發射端的不同天線陣子處合理控制發射信號的幅度和相位來實現具有特定輻射方向的發射波形,這樣有助於提高覆蓋範圍和特定用戶的信噪比,同時也可以減小對其他用戶的乾擾。

3GPPR8/R9版本標準中定義的模式7和模式8分別對應單層波束賦形和雙層波束賦形操作。波束賦形操作不需要終端進行特別的反饋,系統可以通過對終端的上行鏈路進行測量來確定下行鏈路發射信號的波束賦形參數,但是需要發射特定的基於終端信息的專用導頻信號,使用專用導頻信號可以減少公共導頻信號的占用,保證在更多天線數目(如大於4個)情況下能夠使用波束賦形技術。

上行傳輸

對於R8/R9的LTE終端,主要配置為雙天線,但是採用單發雙收的工作模式。上行鏈路MIMO的工作方式主要包括以下幾種:

–單天線傳輸:採用上行單天線傳輸方式,使用固定天線傳送(連線埠0)。

–開環傳送天線選擇分集:採用上行單天線傳輸方式,終端選擇天線進行上行傳輸。

–閉環傳送天線選擇分集:網路側通過下行物理控制信道上承載的下行控制信息通知終端採用特定天線進行上行傳輸。

–上行MU-MIMO:網路側能夠根據信道條件變化自適應地選擇多個終端共享相同的時頻資源進行上行傳輸。

在3GPPR8/R9版本中,上行未使用空間復用技術,主要是考慮到射頻實現複雜度高、MIMO信道非相關性實現較難、天線數量越多終端耗電越大、與其他無線通信系統(如GPS,藍牙等)的乾擾問題嚴重等因素。以射頻實現為例,若要保證終端上行可以實現空間復用技術,一般情況下要求天線間至少要保證半個波長的空間隔離。假如此時上行傳輸使用2.6GHz的載波,空間隔離約為5cm,同市面的手持終端尺寸可比擬,相對容易實現;但是當載波低到1GHz以下,如700MHz時,半波長超過10cm,大於目前市面銷售的一般手持終端的尺寸,所以對於1GHz以下的頻率,實現手持終端的上行MIMO工作方式難度相對較大。

1.天線選擇傳輸

採用單天線傳輸時,只能使用固定天線,但在實際情況下兩個天線上傳輸的信號質量不完全相同,如果能夠選擇傳輸信號質量較好的天線,則可能獲得一定的天線分集增益。目前天線選擇有開環和閉環兩種方式,具體使用哪種方式由網路側配置。

–當終端不具備天線選擇功能或網路側未配置使用天線選擇功能時,則終端使用單天線傳輸方式。

–當網路側配置終端使用開環天線選擇工作方式時,具體使用哪個天線傳輸由終端來決定。LTEFDD系統中一種可行的實現方式是終端交替使用不同的天線進行傳輸,以獲得一定的天線分集增益;而TDLTE系統可以利用信道互易性獲得上行信道質量的信息進而選擇合適的天線進行傳輸。

–當網路側配置終端使用閉環天線選擇工作方式時,由網路側控制終端使用哪個天線進行傳輸,終端按照網路側最近下發的DCIFormat0信息獲知具體的發射天線連線埠,具體過程見表1,通過特定的天線選擇掩碼對DCIFormat0信息後面增加的CRC校驗比特進行加擾。

表1 終端發射天線選擇掩碼

終端發射天線選擇

天線選擇掩碼(xAS,0,xAS,1,…,xAS,15)

終端天線連線埠0

<0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0>

終端天線連線埠1

<0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1>

2.多用戶MIMO

R8/R9LTE終端在上行只支持單發雙收工作方式,不可能實現上行單用戶MIMO,因此在上行鏈路傳輸中,一種特殊的被稱為虛擬MIMO的技術得到套用。當終端1與eNodeB間的空間信道和終端2與eNodeB間的空間信道不相關時,基站調度器可以為兩個終端分配相同的時頻資源,同時進行上行傳輸,也就是上行MU-MIMO。當小區有較多用戶(例如有較多的VoIP用戶)且基站有較多的接收天線時,上行MU-MIMO更容易實現,同時可以提高小區的平均吞吐量。工作於上行MU-MIMO工作模式下的終端採用相互正交的參考信號圖案,以簡化基站的處理難度。從終端的角度看,上行MU-MIMO與單天線傳輸的不同之處,僅僅在於參考信號圖案的使用必須與其他終端配對。但從基站的角度看,確實是一個2×2的MIMO系統,接收機可以對這兩個終端傳送的信號進行聯合檢測。由於MU-MIMO的終端間使用相同的時間和頻率資源,且空間信道之間很難完全不相關,所以可能會帶來一定程度的用戶間乾擾,基站使用MMSE接收機可以有效減小這種乾擾的影響。

適應能力

在不同的套用場景下,MIMO系統可以有不同的解決和實現方案。基站調度器可以實時決定終端或網路側使用哪種MIMO工作方式以獲得最大的系統增益,也就是自適應MIMO。基站在選擇MIMO工作模式時,主要考慮的因素包括終端的移動速度、秩、接收信噪比等。

目前3GPPR8/R9版本中的MIMO系統都具備模式內MIMO自適應功能,例如對於下行模式3,網路側可以根據無線信道的變化情況以及秩的變化情況,自適應地在大延遲CDD空間復用和發射分集之間進行轉換。MIMO系統也具備模式間自適應功能,也就是通過從模式3轉換到模式2,可以實現大延遲CDD空間復用和發射分集之間的轉換。模式內MIMO自適應實現簡單,轉換速度快;模式間的MIMO自適應需要RRC重配置過程,轉換時間較長,但是可以在一定程度上節省一些系統資源。

天線配置

多天線傳輸系統和基站的天線配置情況密不可分,想要實現特定的MIMO傳輸工作方式,需要合理的基站側天線配置。下面對主要的MIMO工作方案對天線配置的要求進行簡要介紹。

–發射分集技術要求至少在發射端有較低的空間相關性,因此在天線配置時至少要求在發射端使用正交的極化天線或有足夠空間間隔的多個非級化天線,例如可以採用DIV(Diversity)或CLA(ClusterLinearArray)類型的天線配置。DIV天線陣列使用多個單極化陣子,彼此間有較大空間隔離(如4個波長)。CLA天線陣列中的陣子對的間距雖然很小(如0.5個波長),但是每個陣子對內是兩個交叉極化陣子,通過使用這兩個正交的極化陣子可以保證較低的空間相關性。

–空間復用技術要求在發射端和接收端都有較低的空間相關性,因此在天線配置時,在發射端可以使用正交的極化天線或有足夠空間間隔的多個非級化天線,可以採用DIV或CLA類型的天線配置。

–波束賦形技術要求在發射端有較高的空間相關性,因此在天線配置時在發射端需要使用較小的天線間距,例如使用CLA和ULA(UniformLinearArray)類型的天線。CLA的陣子間距較小,可以使用相同極化方向的不同陣子實現波束賦形效果。ULA類型的天線由排列非常緊密的單極化陣子構成,所以非常適合波束賦形操作。

–MU-MIMO技術也要求在發射端有較高的空間相關性,所以一般可以使用ULA或CLA類型的天線。

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