3G/4G無線通信系統(tǒng)中的MIMO技術分析

今天，先進的3G/4G(HSPA+、 LTE和IMT-advanced)應用普遍采用多路輸入多路輸出(MIMO)技術。借助增強的頻譜效率，MIMO能夠保證實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，并通過將電子信息嵌入到空間處理單元來提高無線系統(tǒng)的性能。空間處理包括在發(fā)射機上進行空間預編碼和在接收機上進行空間后編碼，從信息信號處理理論角度講，它們彼此之間進行的是雙重處理。MIMO技術與正交頻分多路復用(OFDM) 相結合可以充分利用無線信道空間分集和多徑的特征，實現(xiàn)先進的3G寬帶無線通信和高頻譜利用率。

表1：適用于3G標準的3G MIMO技術的演進歷程。

表2是3GPP LTE標準TR 25.913的概述，它顯示了在固定6?QAM調制深度時，單路輸入單路輸出(SISO)和MIMO天線配置中的性能。這些數(shù)字表示在理想的無線條件下(具有信令開銷補償)，頻分雙工(FDD)空中接口的物理限制。

表 2：3G MIMO應用(6?QAM)的數(shù)據(jù)速率性能。

在無線通信系統(tǒng)中，在發(fā)射機和/或接收機上使用多個天線開辟了一個新的維度空間。如果能夠正確利用這一技術，可以極大地提高性能，它現(xiàn)在被廣泛地稱為MIMO系統(tǒng)。這里的輸入和輸出指的是無線信道。發(fā)射機的多個天線意味著有多個信號輸入到無線信道中，接收機的多個天線是指有多個信號從無線信道輸出。圖1是對SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)的簡單演示。通過本圖，您可以很容易理解對于發(fā)射機天線(T)和接收機天線(R)的MIMO系統(tǒng)來說，如果每個發(fā)射接收天線對之間的信道獨立進行衰落，則信道分集階數(shù)為T×R。

圖 1：SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)之間的關系。

不同的MIMO應用

在一個密集的多徑散射環(huán)境中，MIMO系統(tǒng)可充分利用通過空間分隔的天線獲得空間分集。MIMO系統(tǒng)能夠通過許多不同方法來實施，以獲得抵抗信號衰落的分集增益或者容量增益。通常，MIMO技術具有三種類型。第一類旨在通過最大化空間分集提高功率效率。此類技術包括延遲分集、空時分組編碼(STBC)和空時網(wǎng)格碼(STTC)。第二類利用豐富的散射環(huán)境中的空間復用，通過天線傳輸相互獨立的數(shù)據(jù)信號，以提高數(shù)據(jù)速率，但通常不能夠達到完整的空間分集。第三類利用的是發(fā)射機的信道信息，又稱為波束賦形。它利用信道信息建立波束賦形矩陣，作為發(fā)射機和接收機的前置濾波器和后置濾波器的，以實現(xiàn)容量增益。

空間分集

無線信道中信號功率的波動非�？焖�。信號功率顯著下降時，信道處于衰落狀態(tài)。分集用于在無線信道中抵抗衰落。接收天線分集可在SIMO通道中使用。接收天線接收同一信號獨立的衰落狀態(tài)，并與這些信號相結合，使得合成信號的幅度變化小于任一天線的信號。通常使用獨立衰落信道數(shù)來描述分集的特征，這一數(shù)目也稱為"分集階數(shù)"，并且如果同一發(fā)射天線針對所有接收天線的信道具有獨立的衰落特性，則分集與SIMO信道中接收天線的數(shù)量相等。發(fā)射分集適用于MISO信道并且已經(jīng)成為備受關注的研究領域。提取分集需要適當?shù)脑O計發(fā)射信號。在接收機上使用合適的組合方案，以獲得分集增益。如果所有發(fā)射天線到同一接收天線的信道具有獨立的衰落特性，則該信道的分集與發(fā)射天線的數(shù)量相等。

圖2：(a) AlamouTI空時編碼發(fā)射機結構；(b) 空間復用發(fā)射機結構；(c) 波束賦形發(fā)射機結構。

圖2給出了一個簡單的發(fā)射機分集方案實例，也稱為 Alamouti空時編碼。在指定的符碼周期，兩個天線同時發(fā)出兩個信號。在符碼周期t1，分別從天線0和天線1發(fā)送信號s0和s1，在下一個符碼周期 t2內，天線0發(fā)送信號-s1*，天線1發(fā)送信號s0*，其中()*是復共軛運算。這一序列如圖2所示。編碼是在空時編碼中完成的，也可在空頻編碼中完成�？墒褂脙蓚�相鄰的載波(空頻編碼)來替代兩個相鄰的符碼周期。使用MIMO信道的分集需要將上述發(fā)射和接收分集相結合。如果每個發(fā)射接收天線對之間的信道獨立衰落，則分集順序與發(fā)射和接收天線的數(shù)量相等。