在3G中應用MIMO技術

1 引言

隨著移動分組業(yè)務流量的不斷增加，人們對移動通信空口帶寬的需求也不斷增加。為此，LTE選擇了MIMO等技術以實現(xiàn)高帶寬的目標。

由于LTE還需要一個較長的周期才能實現(xiàn)商用，加之已經部署的WCDMA網(wǎng)絡已經耗費了運營商大量的投資，因此HSPA+作為一個過渡技術誕生了。HSPA+吸收了LTE中不少先進技術，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)射端和接收端同時使用多個天線的通信系統(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用于通信系統(tǒng)，但是對無線移動通信系統(tǒng)多入多出技術產生巨大推動的奠基工作則是90年代由Bell實驗室學者完成的：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碼；1998年Wolniansky等人采用V- BLAST（Vertical Bell Labs Layered Space-Time）算法建立了一個MIMO實驗系統(tǒng)，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(tǒng)中極難實現(xiàn)。這些工作受到各國學者的極大注意，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

當前，MIMO技術主要通過3種方式來提升無線傳輸速率及品質：

● 空間復用（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，接收端接收到多個數(shù)據(jù)的混合信號后，利用不同空間信道間獨立的衰落特性，區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。從而達到在相同的頻率資源內獲取更高數(shù)據(jù)速率的目的。

● 傳輸分集技術，以空時編碼（Space Time Coding）為代表：在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(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編碼通過在發(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(tǒng)通過多根天線產生一個具有指向性的波束，將信號能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，從而提升信號質量，并減少對其他用戶的干擾。

（1）空間復用

空間復用技術是在發(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行解碼，此時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 空間復用的系統(tǒng)示意框圖

使用空間復用技術時，接收端必須進行復雜的解碼處理。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，比較容易實現(xiàn)，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發(fā)射天線個數(shù)的增加呈指數(shù)增加，因此，當發(fā)射天線的個數(shù)很大時，這種算法是不實用的；綜合前述算法優(yōu)點的BLAST算法是性能和復雜度最優(yōu)的。

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

D-BLAST算法是由貝爾實驗室的G.J.Foschini于1996年提出。對于D-BLAST算法，原始數(shù)據(jù)被分為若干子數(shù)據(jù)流，每個子流獨立進行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線。D-BLAST的好處是每個子流的數(shù)據(jù)都可以通過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，難以實際使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進的V-BLAST算法，該算法不再對所有接收到的信號同時解碼，而是先對最強信號進行解碼，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芯片在貝爾實驗室問世，這標志了MIMO技術走向商用的開始。

（2）空時編碼

空時編碼通過在發(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，但空時編碼方案不能提高數(shù)據(jù)率?？諘r編碼的系統(tǒng)框圖參見圖2。

圖2 空時編碼的系統(tǒng)示意框圖

空時編碼主要分為空時格碼和空時塊碼。

空時格碼在不犧牲系統(tǒng)帶寬的條件下，能使系統(tǒng)同時獲得分集增益和編碼增益。但是當天線個數(shù)一定時，空時格碼的解碼復雜度隨著分集程度和發(fā)射速率的增加呈指數(shù)增加。

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

（3）波束成型

波束成型技術又稱為智能天線（Smart Antenna），通過對多根天線輸出信號的相關性進行相位加權，使信號在某個方向形成同相疊加（Constructive Interference），在其他方向形成相位抵消（Destructive Interference），從而實現(xiàn)信號的增益，參見圖3。

圖3 定向智能天線的信號仿真效果

當系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時（如TDD系統(tǒng)），系統(tǒng)會根據(jù)信道狀態(tài)調整每根天線發(fā)射信號的相位（數(shù)據(jù)相同），以保證在目標方向達到最大的增益；當系統(tǒng)發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時，可以采用隨機波束成形方法實現(xiàn)多用戶分集。

4 三種技術的優(yōu)缺點及應用場景

空間復用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時使用，可能無法使用高階調制方式，如16QAM等。

無線信號在密集城區(qū)、室內覆蓋等環(huán)境中會頻繁反射，使得多個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。

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

對發(fā)射信號進行空時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線環(huán)境下使用高階調制方式，但無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利。空時編碼技術在無線相關性較大的場合也能很好的發(fā)揮效能。

因此，在MIMO的實際使用中，空間復用技術往往和空時編碼結合使用。當信道處于理想狀態(tài)或信道間相關性小時，發(fā)射端采用空間復用的發(fā)射方案，例如密集城區(qū)、室內覆蓋等場景；當信道間相關性大時，采用空時編碼的發(fā)射方案，例如市郊、農村地區(qū)。這也是3GPP在FDD系統(tǒng)中推薦的方式。

波束成型技術在能夠獲取信道狀態(tài)信息時，可以實現(xiàn)較好的信號增益及干擾抑制，因此比較適合TDD系統(tǒng)。

波束成型技術不適合密集城區(qū)、室內覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因，一方面接收端會收到太多路徑的信號，導致相位疊加的效果不佳；另一方面，大量的多徑信號會導致DOA信息估算困難。

5 MIMO技術在3G的應用

綜合使用空間復用技術和空時編碼技術，使得MIMO能夠在不同的使用場景下都發(fā)揮出良好的效果，3GPP組織也正是因為這一點，將MIMO技術納入了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，上行只是進行傳輸天線選擇。

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

● 空間復用（Spatial Multiplexing）。
● 空時塊碼（Space Time Block Coding）。
● 波束成型（Beam Forming）。
● 發(fā)射分集（Transmit Diversity）。

在實際使用中，由基站根據(jù)無線環(huán)境的不同自動選擇使用。

在HSPA+上行方面，MIMO技術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，由基站進行信道質量測量，然后選擇信道質量好的天線進行數(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。作為MIMO技術的發(fā)明者，阿爾卡特朗訊首先提出將MIMO技術加入3GPP標準，并積極推動MIMO技術在HSPA+的應用。我們相信，MIMO技術必將在未來的移動網(wǎng)絡中占據(jù)重要的位置。