第六章 MIMO

到目前為止，我們已經(jīng)研究了LTE（長期演進）標(biāo)準(zhǔn)中使用的調(diào)制、加擾、編碼、信道建模和多載波傳輸方案。在本章中，我們重點討論了它的多天線特性。LTE和LTE高級標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了較高的最大數(shù)據(jù)速率，這主要是由于采用了許多多天線或MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)。LTE可以看作是一個MIMO-OFDM（正交頻分復(fù)用）系統(tǒng)，MIMO多天線配置與OFDM多載波傳輸方案相結(jié)合。

通常，多天線傳輸方案將調(diào)制數(shù)據(jù)符號映射到多個天線端口。在OFDM傳輸方案中，每個天線構(gòu)造資源網(wǎng)格，生成OFDM符號，并傳輸信號。在MIMO-OFDM系統(tǒng)中，資源網(wǎng)格映射和OFDM調(diào)制過程在多個發(fā)射天線上重復(fù)進行。根據(jù)使用的MIMO模式，這種多天線擴展可能會提高數(shù)據(jù)速率或提高鏈路質(zhì)量。

在本章中，我們將首先回顧LTE標(biāo)準(zhǔn)前四種傳輸模式的MIMO算法。這些傳輸模式利用兩種主要的MIMO技術(shù)：（i）傳輸分集（如空頻分組編碼、SFBC等技術(shù)）和（ii）具有或不具有延遲分集編碼的空間多路復(fù)用。如前所述，傳輸分集技術(shù)提高了鏈路質(zhì)量和可靠性，但沒有提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率或頻譜效率。另一方面，空間多路復(fù)用可以大大提高數(shù)據(jù)速率。

6.1 MIMO的定義

“MIMO天線處理”通常用作一個通用術(shù)語，指使用多個發(fā)射和接收天線的所有技術(shù)。LTE標(biāo)準(zhǔn)是基于MIMO多天線技術(shù)和OFDM多載波技術(shù)的結(jié)合。基本上，在LTE中，多個發(fā)射天線和接收天線之間的關(guān)系最好解釋在每個單獨的子載波上，而不是整個帶寬上。圖6.1說明了發(fā)射和接收天線的關(guān)系，以及連接每個天線對的信道增益。

在每個子載波上，不同天線上接收和發(fā)送資源元素之間的關(guān)系用一個線性方程組表示。在該系統(tǒng)中，接收天線上接收資源單元的矢量是由MIMO信道矩陣乘以發(fā)射天線上發(fā)射資源單元的矢量得到的。如MIMO方程組所示，為了恢復(fù)給定子載波下發(fā)射資源元的最佳估計值，我們不僅需要接收資源元的矢量，還需要連接每對發(fā)射和接收天線的信道響應(yīng)（或CSI，信道狀態(tài)信息）。

6.2 MIMO的動機

理論上，提高通信鏈路上數(shù)據(jù)速率的最佳方法是提高給定發(fā)射功率下的總接收信號功率[1]。提高接收功率的有效方法是在發(fā)送器和/或接收器上使用附加天線。這代表一個被稱為多天線或MIMO技術(shù)的類。由于使用MIMO技術(shù)，容量和誤碼率（BER）有了顯著的提高，這引起了人們對多天線無線電系統(tǒng)的極大興趣。然而，隨著收益的增加，計算的復(fù)雜性也隨之增加。MIMO技術(shù)的復(fù)雜性通常與使用的天線數(shù)量成正比。

在各種多輸入多輸出技術(shù)中，空間多路復(fù)用引入了一種多天線方法，這種方法在天線數(shù)目不變的情況下實現(xiàn)了平均容量的增長[1]。在無線通信領(lǐng)域邁出了歷史性的一步。

6.3 MIMO類型
LTE利用MIMO技術(shù)，例如，通過在九種下行傳輸模式中分別引入多種形式的多天線技術(shù)。LTE Advanced一次最多提供8個天線的多個發(fā)射天線配置。

讓我們研究MIMO系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。MIMO系統(tǒng)的成功實現(xiàn)依賴于在接收端解線性方程組以正確恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)。在信道退化的情況下，全譜表現(xiàn)出頻率選擇性響應(yīng)。然而，在每個子波段，信道響應(yīng)更平坦，可以用一個標(biāo)量增益值來近似。在MIMO系統(tǒng)中，在每個副載波上，任何一對發(fā)送和接收符號之間的關(guān)系都可以用一個增益值來表示。這意味著多個發(fā)射機和接收機之間的關(guān)系可以用線性方程的MIMO系統(tǒng)來表示，該系統(tǒng)在接收機處為全譜的每個副載波求解，以恢復(fù)發(fā)射的信號。

LTE標(biāo)準(zhǔn)中使用的MIMO算法可分為四大類：接收器組合、傳輸分集、波束形成和空間復(fù)用。在本節(jié)中，我們將簡要討論其中三種技術(shù)。

6.3.1接收機組合方法

接收器組合方法結(jié)合了接收器上傳輸信號的多個版本，以提高性能。它們已用于3G移動標(biāo)準(zhǔn)和WiFi和WiMax系統(tǒng)。在接收端可以使用兩種組合方法：最大比率組合（MRC）和選擇組合（SC）[2]。在MRC中，我們結(jié)合多個接收到的信號（通常通過求平均值）來找到最可能的傳輸信號估計值。在SC中，我們放棄了MRC的廣泛復(fù)雜性，只使用信噪比（信噪比）最高的接收信號來估計發(fā)射信號。

6.3.2傳輸分集
在傳輸分集中，冗余信息在每個副載波的不同天線上傳輸。在這種模式下，LTE不會提高數(shù)據(jù)速率，但只會使通信鏈路更加健壯。發(fā)射分集屬于一類多天線技術(shù)，稱為空時編碼�？諘r碼能夠發(fā)送一個與接收和發(fā)送天線數(shù)量之積相等的分集指令。SFBC是一種與空時分組編碼（STBC）密切相關(guān)的技術(shù)，是LTE標(biāo)準(zhǔn)中使用的傳輸分集技術(shù)。

6.3.3空間復(fù)用
在空間復(fù)用中，系統(tǒng)在不同的天線上傳輸獨立（非冗余）信息。這種MIMO模式可以大大提高給定通信鏈路的數(shù)據(jù)速率，因為數(shù)據(jù)速率可以與發(fā)射天線的數(shù)量成線性比例增加。然而，在空間多路復(fù)用中傳輸獨立數(shù)據(jù)流的能力是有代價的�？臻g復(fù)用容易受到表示MIMO方程的矩陣秩的不足。在LTE空間復(fù)用中引入了多種技術(shù)，以最大限度地降低這些等級缺陷的發(fā)生概率，并利用其優(yōu)點。

6.4 MIMO覆蓋范圍
在這本書中，我們集中在與MIMO傳輸?shù)那八姆N模式相關(guān)的信號處理。模式6中使用的波束形成與多播有關(guān)，對協(xié)調(diào)多點傳輸非常重要。模式5和7–9中使用的多用戶MIMO（MU-MIMO）可以最好地理解為模式3和4的單用戶情況的擴展。詳細(xì)討論了上行鏈路和下行鏈路的波束形成方法和多輸入多輸出，值得在不同的體積下進一步研究。

未完待續(xù)

2019/1/14