MIMO技術(shù)在3G中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

1  引言

人們對(duì)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(xiàn)高帶寬的目標(biāo)。

由于LTE還需要一個(gè)較長(zhǎng)的周期才能實(shí)現(xiàn)商用，加之已經(jīng)部署的WCDMA網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)耗費(fèi)了運(yùn)營(yíng)商大量的投資，因此HSPA+作為一個(gè)過渡技術(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又稱為多入多出（Multiple-Input Multiple-Output）系統(tǒng)，指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的通信系統(tǒng)，在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)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，利用多天線來抑制信道衰落。70年代有人提出將多入多出技術(shù)用于通信系統(tǒng)，但是對(duì)無線移動(dòng)通信系統(tǒng)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(yàn)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(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗(yàn)中達(dá)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(tǒng)中極難實(shí)現(xiàn)。這些工作受到各國(guó)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(dāng)前，MIMO技術(shù)主要通過3種方式來提升無線傳輸速率及品質(zhì)：

● 空間復(fù)用（Spatial Multiplexing）：系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分割成多份，分別在發(fā)射端的多根天線上發(fā)射出去，接收端接收到多個(gè)數(shù)據(jù)的混合信號(hào)后，利用不同空間信道間獨(dú)立的衰落特性，區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。從而達(dá)到在相同的頻率資源內(nèi)獲取更高數(shù)據(jù)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(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤率?？諘r(shí)編碼通過在發(fā)射端增加信號(hào)的冗余度，使信號(hào)在接收端獲得分集增益。

● 波束成型（Beam Forming）：系統(tǒng)通過多根天線產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將信號(hào)能量集中在欲傳輸?shù)姆较颍瑥亩嵘盘?hào)質(zhì)量，并減少對(duì)其他用戶的干擾。

（1）空間復(fù)用

空間復(fù)用技術(shù)是在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)，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天線數(shù)量的增加而線性增大，從而能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率，參見圖1。



圖1  空間復(fù)用的系統(tǒng)示意框圖

使用空間復(fù)用技術(shù)時(shí)，接收端必須進(jìn)行復(fù)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算法是線性算法，比較容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)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(fù)雜度隨著發(fā)射天線個(gè)數(shù)的增加呈指數(shù)增加，因此，當(dāng)發(fā)射天線的個(gè)數(shù)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(fù)雜度最優(yōu)的。

BLAST算法是Bell實(shí)驗(yàn)室提出的一種有效的空時(shí)處理算法，目前已廣泛應(yīng)用于MIMO系統(tǒng)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(yàn)室的G.J.Foschini于1996年提出。對(duì)于D-BLAST算法，原始數(shù)據(jù)被分為若干子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子流獨(dú)立進(jìn)行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線。D-BLAST的好處是每個(gè)子流的數(shù)據(jù)都可以通過不同的空間路徑到達(dá)接收端，從而提高了鏈路的可靠性，但其復(fù)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(duì)所有接收到的信號(hào)同時(shí)解碼，而是先對(duì)最強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行解碼，然后在接收信號(hào)中減去該最強(qiáng)信號(hào)，再對(duì)剩余信號(hào)中最強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行解碼，再次減去，如此循環(huán)，直到所有信號(hào)都被解出。

2002年10月，世界上第一顆BLAST芯片在貝爾實(shí)驗(yàn)室問世，這標(biāo)志了MIMO技術(shù)走向商用的開始。

（2）空時(shí)編碼

空時(shí)編碼通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號(hào)的冗余度，從而使信號(hào)在接受端獲得分集增益，但空時(shí)編碼方案不能提高數(shù)據(jù)率。空時(shí)編碼的系統(tǒng)框圖參見圖2。



圖2  空時(shí)編碼的系統(tǒng)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(tǒng)帶寬的條件下，能使系統(tǒng)同時(shí)獲得分集增益和編碼增益。但是當(dāng)天線個(gè)數(shù)一定時(shí)，空時(shí)格碼的解碼復(fù)雜度隨著分集程度和發(fā)射速率的增加呈指數(shù)增加。

為減小接收機(jī)的解碼復(fù)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)單的線形處理進(jìn)行解碼，從而降低了接收機(jī)的復(fù)雜度。

（3）波束成型

波束成型技術(shù)又稱為智能天線（Smart Antenna），通過對(duì)多根天線輸出信號(hào)的相關(guān)性進(jìn)行相位加權(quán)，使信號(hào)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(xiàn)信號(hào)的增益，參見圖3。



圖3  定向智能天線的信號(hào)仿真效果

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)（如TDD系統(tǒng)），系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每根天線發(fā)射信號(hào)的相位（數(shù)據(jù)相同），以保證在目標(biāo)方向達(dá)到最大的增益；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時(shí)，可以采用隨機(jī)波束成形方法實(shí)現(xiàn)多用戶分集。

4  三種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景

空間復(fù)用能最大化MIMO系統(tǒng)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，可能無法使用高階調(diào)制方式，如16QAM等。

無線信號(hào)在密集城區(qū)、室內(nèi)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(dú)立，從而使得空間復(fù)用的效果更加明顯。

無線信號(hào)在市郊、農(nóng)村地區(qū)，多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空間復(fù)用的效果要差許多。

對(duì)發(fā)射信號(hào)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(duì)較小的無線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式，但無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利?？諘r(shí)編碼技術(shù)在無線相關(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(fù)用技術(shù)往往和空時(shí)編碼結(jié)合使用。當(dāng)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(fù)用的發(fā)射方案，例如密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等場(chǎng)景；當(dāng)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(nóng)村地區(qū)。這也是3GPP在FDD系統(tǒng)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(xiàn)較好的信號(hào)增益及干擾抑制，因此比較適合TDD系統(tǒng)。

波束成型技術(shù)不適合密集城區(qū)、室內(nèi)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(hào)，導(dǎo)致相位疊加的效果不佳；另一方面，大量的多徑信號(hào)會(huì)導(dǎo)致DOA信息估算困難。

5  MIMO技術(shù)在3G的應(yīng)用

綜合使用空間復(fù)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?yàn)檫@一點(diǎn)，將MIMO技術(shù)納入了HSPA+標(biāo)準(zhǔn)（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的天線模式：下行是雙天線發(fā)射，雙天線接收；上行為了降低終端的成本，縮小終端的體積，采用了單天線發(fā)射。也就是說，MIMO的效用主要是用在下行，上行只是進(jìn)行傳輸天線選擇。

HSPA+中，MIMO規(guī)定了下行的Precoding預(yù)編碼矩陣，包括4種形式：

● 空間復(fù)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(jù)無線環(huán)境的不同自動(dòng)選擇使用。

在HSPA+上行方面，MIMO技術(shù)有兩種天線選擇方案，即開環(huán)和閉環(huán)。

● 開環(huán)方案即TSTD（時(shí)分切換傳輸分集），上行數(shù)據(jù)輪流在天線間交替發(fā)送，從而避免單條信道的快衰落，參見圖4。



圖4  開環(huán)天線選擇方案

● 閉環(huán)方案中，終端必須從不同的天線發(fā)送參考符號(hào)，由基站進(jìn)行信道質(zhì)量測(cè)量，然后選擇信道質(zhì)量好的天線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，參見圖5。



圖5  閉環(huán)天線選擇方案

MIMO技術(shù)能夠大大提高頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，并積極推動(dòng)MIMO技術(shù)在HSPA+的應(yīng)用。我們相信，MIMO技術(shù)必將在未來的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)重要的位置。