MIMO原理及測(cè)試

摘要

介紹了MIMO的基本原理，并在此基礎(chǔ)上對(duì)MIMO在不同移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，最后介紹了R&S公司的相應(yīng)測(cè)試解決方案。

1  引言

對(duì)于所有的無(wú)線通信系統(tǒng)而言，無(wú)論是3GPP UMTS這樣的移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，還是像WLAN那樣的無(wú)線局域網(wǎng)，除了通過(guò)高階調(diào)制或更大的信號(hào)帶寬這樣傳統(tǒng)的方式來(lái)提高數(shù)據(jù)速率以外，還可以通過(guò)多天線技術(shù)來(lái)提高信道的容量。作為未來(lái)移動(dòng)通信的必選項(xiàng)目，MIMO已經(jīng)引起了更多的關(guān)注，而對(duì)于MIMO系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試，也成為通信行業(yè)的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。本文在介紹MIMO的基本原理以及在MIMO不同移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上，介紹R&S公司提供的相應(yīng)測(cè)試解決方案，可以滿足不同客戶、不同標(biāo)準(zhǔn)及不同階段的MIMO系統(tǒng)測(cè)試需求。

2  MIMO基本原理

根據(jù)不同的傳輸信道類型，可以在無(wú)線系統(tǒng)中使用相應(yīng)的分集方式。目前，主要的分集方式包括時(shí)間分集（不同的時(shí)隙和信道編碼）、頻率分集（不同的信道、擴(kuò)頻和OFDM）以及空間分集等。多天線系統(tǒng)利用的就是空間方式，而MIMO作為典型的多天線系統(tǒng)，可以明顯提高傳輸速率。而在實(shí)際的無(wú)線系統(tǒng)中，可以根據(jù)實(shí)際情況使用一種或者多種分集方式。

2.1  傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)（SISO）

傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)往往使用單個(gè)發(fā)射天線和單個(gè)接收天線，稱之為SISO系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。

圖1  SISO天線配置

根據(jù)香農(nóng)定理，無(wú)線信道容量C由信號(hào)帶寬和信噪比決定。如公式1所示：
 
        　　公式1

2.2  多天線系統(tǒng)

典型的MIMO系統(tǒng)如圖2所示，包含m個(gè)發(fā)射天線和n個(gè)接收天線。根據(jù)無(wú)線信道的特性，每個(gè)接收天線都會(huì)接收到不同發(fā)射天線的內(nèi)容，因此不同收發(fā)天線間的信道沖擊響應(yīng)均有不同的表現(xiàn)形式。

圖2  通用的MIMO形式

如果定義發(fā)射天線1與接收天線1之間為h11，發(fā)射天線1和接收天線2之間定義為h21。這樣可以得到n×m的傳輸矩陣，也就是我們所說(shuō)的傳輸信道矩陣形式，如公式2所示：
 
          　　公式2

當(dāng)收發(fā)天線間的信道為窄帶時(shí)不變系統(tǒng)時(shí)，可以得到MIMO系統(tǒng)接收信號(hào)表現(xiàn)形式為：

　　公式3

其中，接收信號(hào)Y，發(fā)射信號(hào)X及噪聲n。

在MIMO系統(tǒng)中，發(fā)射天線的數(shù)據(jù)被分成幾個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流M的數(shù)目一般小于或等于天線的數(shù)目。如果收發(fā)天線之間并不相等，那么等于或小于收發(fā)端最小的天線數(shù)目。例如，4×4的MIMO系統(tǒng)可以用于傳送4個(gè)或者更少的數(shù)據(jù)流，而3×2的MIMO系統(tǒng)可以發(fā)送兩個(gè)或者小于兩個(gè)的數(shù)據(jù)流。理論上，傳輸信道的容量會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)流的數(shù)目線性增長(zhǎng)，MIMO系統(tǒng)的信道容量表示如公式4決定。

　　公式4

對(duì)于目前的無(wú)線通信系統(tǒng)，MIMO的基本形式有如下幾種：

（1）單用戶MIMO（SU-MIMO）：如果MIMO系統(tǒng)用于增加一個(gè)用戶的速率，稱之為單用戶MIMO（見(jiàn)圖3）。

圖3  SU-MIMO

（2）多用戶MIMO（MU-MIMO）：如果每個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流分配給不同的用戶，稱之為多用戶。這種模式主要對(duì)上行鏈路有用。從UE的復(fù)雜程度和體積來(lái)看，每個(gè)UE只能有一個(gè)發(fā)射天線，因此稱之為“協(xié)同MIMO”，MU-MIMO如圖4所示。

圖4  MU-MIMO

（3）循環(huán)時(shí)延分集（CDD）：在OFDM系統(tǒng)中，CDD已經(jīng)作為常規(guī)技術(shù)被廣泛使用。對(duì)CDD而言，相當(dāng)于在不同天線的發(fā)射信號(hào)之間存在相應(yīng)的時(shí)延。其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于在OFDM系統(tǒng)中引入了虛擬的時(shí)延回波成分，可以在接收端增加相應(yīng)的選擇性。因?yàn)镃DD引入了額外的分集成分，所以往往被認(rèn)為是空分復(fù)用的補(bǔ)充表現(xiàn)形式。