充分利用MIMO技術

在LTE、WiMAX和微波傳輸網(wǎng)絡中，采用多輸入多輸出(MIMO)技術以及合適的部署策略是可以增加容量的。但是，具有視距傳輸網(wǎng)絡中的 MIMO，比如LTE和WiMAX，與其在視距微波傳輸中的運行相比有所差異。為了充分利用MIMO的優(yōu)勢，服務提供商需要了解MIMO是如何工作的，以 及為什么它在不同的網(wǎng)絡中存在差異。

MIMO的優(yōu)勢

MIMO使用至少2個，有時多個，發(fā)射天線和接收天線來傳輸一個單信道。這種方法增加了數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。例如，在每一側增加6個天線所得到的容量增長，與在一個單輸入單輸出(SISO)的信道增加100多倍功率所產(chǎn)生的效果是相同的。

MIMO技術使得容量增加和使用天線數(shù)量呈線性關系。相反，SISO、單輸入多輸出(SIMO)和多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)的容量增加，和天線數(shù)量呈現(xiàn)對數(shù)關系。相對對數(shù)增加而言，線性容量的增加是一個更有效的方法。

MIMO的發(fā)射機和接收機比SISO、SIMO和MISO的更復雜，但是它不需要更多的發(fā)射功率。

MIMO優(yōu)勢是如此清楚，它和許多技術標準已經(jīng)相結合，包括：

國際電信聯(lián)盟(ITU)的高速下行分組接入(HSDPA)標準是通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)標準的一部分。家用無線路由使用IEEE 802.11n 標準電氣和電子工程師協(xié)會在蜂窩電話中使用的移動WiMAX技術IEEE802.16標準。ITU LTE標準。

當MIMO遇到香農定理

當MIMO系統(tǒng)在上世紀90年代中后期由Gerard Foschini等人提出后，這種具有突破性的帶寬效率似乎違反香農定理。實際上MIMO中的多樣性和信號處理的使用，將單一點對點信道變換成多個并行信道來處理了。

香農定理是建立在一個具有信道容量C和以速率R來傳輸信息的有噪信道上的。然后它又指出，如果R小于C，應該有這樣一些代碼，使得接收機錯誤譯碼概率達到任意小。這意味著，從理論上講，它可能以一個低于速率C的任何速率而幾乎沒有差錯地來傳輸信息。

這個容量通常表示成：

C = W log2(1 + S/N)

這里：

C 是以每秒比特為單位的信道容

W 是以赫然為單位的系統(tǒng)帶寬

S/N 是信噪比(S/N)

對于一個50dB的SNR和20Mhz帶寬的信道，它的容量用數(shù)學方法表示成：

C=20*log2(1+50)=20*5.6=112 Mb/s

容量增加是相對于SNR的一個對數(shù)關系，它是一個慢增長。

這個例子使用一個20 MHz的信道，這個帶寬通常使用在LTE 和LTE-A中。但20Mhz帶寬的LTE-Advanced容量是500 Mb/s或更高----顯然遠遠超出香農極限。

超越香農極限的一個途徑是提高信噪比和基站發(fā)送功率。但即使信噪比為100，20 MHz信道帶寬的吞吐量也只有133 Mb/s，遠小于LTE-A可能能夠提供的500 Mb/s吞吐量。

然而MIMO能夠做到這個。它的高容量接收信息已然成為一個共識。

LTE和WiMAX 網(wǎng)絡中的MIMO

下面的公式可用于計算MIMO的香農極限。一個MIMO系統(tǒng)所能達到的最大容量取決于如何建立一個信道，而不只是如SISO系統(tǒng)所示的信噪比。在數(shù)學方面，MIMO系統(tǒng)的性能依賴于信道矩陣H及其性能的條件。

可以認為H信道矩陣是一組方程。每個方程代表一個接收信號，這個接收信號代表了一組唯一的信道系數(shù)和與之相應的發(fā)射信號共同作用的結果。

該系統(tǒng)的性能最佳是H矩陣滿秩，每行和每列滿足相互之間的完全獨立。換句話說，如果矩陣是線性的，也就是矩陣是滿秩的，那么方程是可解的。

這意味著系統(tǒng)的最優(yōu)性能只有在每個通道是完全獨立時才可能存在。在一個充滿散射、陰影衰減、反射和其它影響的環(huán)境中，信道是完全相互獨立的。

盡管這看起來像一個反直覺的解釋，得到所傳輸信息的唯一途徑是H矩陣的可逆。僅當H矩陣所有的行和列都是不相關時，H矩陣是可逆的。而只有散射、陰影衰減、反射和其它影響存在時，行和列才是不相關的。

這是LTE和WiMAX網(wǎng)絡的典型情況，特別是在人口稠密的城市地區(qū)使用時。

點對點微波網(wǎng)絡中的MIMO

在一個點對點微波傳輸系統(tǒng)中，一個矩陣可能包含2個發(fā)射天線和2個接收天線，如圖1所示。這是一個2×2 的MIMO系統(tǒng)。

圖1 一個點對點的微波矩陣使用多個發(fā)射和接收天線[!--empirenews.page--]

假如H12表示從發(fā)射天線1到接收天線2的信號行程，那么矩陣變成：

r1 = h11 t1 + h12 t2 r2 = h21 t1 + h22 t2

這里：

r1 = 天線1的接收信號r2 = 天線2的接收信號在一個視距系統(tǒng)中：

r1 = t1 + t2

r2 = t1+ t2

這樣H =

1 1

1 1

即使對數(shù)學了解不多，也是能夠看出這個矩陣方程是無解的，是沒有辦法求解的。

這樣似乎看出MIMO是不適合點對點微波系統(tǒng)的。實際上MIMO是能夠用于點對點微波系統(tǒng)，理論和實際是不相符的。

微波系統(tǒng)中的視距MIMO

在點對點微波系統(tǒng)中，對MIMO要注意這樣一個情況，由于散射、和增加容量而需要的反射以及陰影衰減，使得接收信號不相關。相反，它依賴于發(fā)射天線之間、接收天線之間的空間距離。

利用一個合適的天線間距可以消除干擾信號，從而增加端口之間的容量傳輸。為了消除干擾信號，2條路徑之間的傳播差異，必須允許2個接收的信號在接收機的解調器中是相互正交的。

在傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)中，路徑傳播之間的差異可以通過使用環(huán)境的物理目標來創(chuàng)建。而這種方法在微波鏈路是不可能的，因為它們是典型的視距連接而且使用了高方向性天線。

然而，由于微波傳輸使用了高載波頻率，這使得有可能在接收端形成了一個短的和長的傳輸路徑，這樣可以使用天線間距，來設計一個具有需要的正交相位差的2×2 MIMO信道。這通常被稱為一個視距(LOS)MIMO系統(tǒng)。

在一個2×2的MIMO系統(tǒng)中，在接收端2個路徑之間的相位差是90°，圖2解釋了這個原理。

圖2 合適的天線間距消除干擾信號從而增加了容量

當一個理想的90°相位差出現(xiàn)時，干擾信號能夠被完全消除。這樣就創(chuàng)建了兩個獨立的通道，有效地增加了現(xiàn)有信道的容量。

微波傳輸系統(tǒng)中使用的高頻是一個非常短的波長。可是，傳播路徑的地理空間特性意味著為了達到理想的相位差，在天線之間需要保持一個比較大的空間距離。

圖3顯示了在不同微波頻率下，最優(yōu)天線間距和微波單跳距離的關系曲線。

圖3 視距MIMO是適合較高的微波頻率和較短的微波單跳使用

對較短的微波單跳和較高的微波頻率來說，天線間距要求是能夠實現(xiàn)的。然而，對于低頻率和長距離微波單跳來說，天線間距的要求變得很高，使得他們在實際使用中是不可能滿足的。

MIMO的使用意義

在非視距LTE和WiMAX網(wǎng)絡，MIMO是一個增加傳輸容量的強大技術。在一些點對點的微波傳輸應用場景中，視距MIMO也可以在增加傳輸容量中發(fā)揮重要的作用。了解何時何地MIMO可以發(fā)揮作用的服務供應商，將在充分利用MIMO技術中處于一個最佳位置。