基于3G MIMO技術(shù)的實現(xiàn)挑戰(zhàn)與解決方案

本文討論多路輸入多路輸出（MIMO）技術(shù)在先進(jìn)3G(HSPA++、LTE和IMT-advanced)移動應(yīng)用中的實現(xiàn)挑戰(zhàn)與解決方案。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�？臻g處理包括在發(fā)射機上進(jìn)行空間預(yù)編碼和在接收機上進(jìn)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(jìn)行的是雙重處理。MIMO 技術(shù)與 OFDM（正交頻分多路復(fù)用）相結(jié)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(jìn)的 3G 寬帶無線通信和高頻譜利用率。

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(shù)，可以極大地提高性能，它現(xiàn)在被廣泛地稱為 MIMO（多路輸入多路輸出）系統(tǒng)。在術(shù)語 MIMO 中，“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(jìn)行衰落，則信道分集階數(shù)為 T2R。

不同的 MIMO 應(yīng)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(shù)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(shù)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(fù)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(dá)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�？焖佟Ｐ盘柟β曙@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(jié)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(guān)注的研究領(lǐng)域。提取分集需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)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 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(nèi)， 天線 0發(fā)送信號 -s1*，天線 1發(fā)送信號 s0*，其中 ( )* 是復(fù)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(jié)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。

空間復(fù)用

空間復(fù)用可以為相同帶寬的信號提供線性增長的傳輸速率，而且不會造成額外的功率損耗。

圖 3 給出了含有兩個發(fā)射天線的簡單的空間復(fù)用系統(tǒng)，這一概念可擴展到更普遍的 MIMO 系統(tǒng)中。發(fā)射的比特流被去復(fù)用到兩個具有一半速率的子比特流中，由每個發(fā)射天線同時進(jìn)行調(diào)制和發(fā)射。例如在圖 3 中，在符碼周期 t1 內(nèi)，天線 0發(fā)射 符號s0，從天線 1 發(fā)射符號s1。在符碼周期 t2 內(nèi)， 天線 0 發(fā)射符號s2，天線 1 發(fā)射符號s3。因此，發(fā)射速率是 SISO 系統(tǒng)的兩倍。在最佳的信道條件下，接收機端接收到的信號的空間特性,可以被很好的分離。接收機根據(jù)信道信息可以對兩個同信道信號進(jìn)行區(qū)別和提取。進(jìn)行解調(diào)之后，子比特流能夠相互結(jié)合產(chǎn)生原始比特流。所以，空間復(fù)用所能提高的傳輸速率與發(fā)射接收天線對的數(shù)量成正比�？臻g復(fù)用還可用于多用戶格式，也就是空分多址或 SDMA。假設(shè)兩個用戶發(fā)射獨立的信號，這兩個信號均到達(dá)一個配有兩個天線的基站。該基站可以分離這兩個信號，以支持兩個用戶同時使用信道。這使容量能夠根據(jù)基站的天線數(shù)量和用戶數(shù)量成比例的增加。