MIMO技术

摘要

多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量.

为满足未来全球通信在高速移动、增强数据速率等方面的需求，MIMO技术被得以运用,其在提高信道容量，以及提高信道的可靠性、降低误码率方面发挥了极大作用.

提高信道容量是利用MIMO信道提供的空间复用增益；提高信道的可靠性和降低误码率是利用MIMO信道提供的空间分集增益.同时MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现较高的通信容量和频率利用率。

原理

一、MIMO系统的原理

图1MIMO系统的一个原理框图

发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去，接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。根据空时映射方法的不同，MIMO技术大致可以分为两类：空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集

提高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用一根发射天线n 根接收天线，发送信号通过n 个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的,可以获得最大的分集增益为n 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n 根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落,可以获得的最大分集增益为mn。目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时分组码（Space Time Block Code，STBC)和波束成形技术。STBC是基于发送分集的一种重要编码形式，其中最基本的是针对二天线设计的Alamouti方案，具体编码过程如图2所示。

二、Alamouti 编码过程示意

图2 Alamouti编码过程示意图

可以发现STBC方法,其最重要的地方就是使得多根天线上面要传输的信号矢量相互正交，如图2-19中x 1和x 2的内积为0，这时接收端就可以利用发送端信号矢量的正交性恢复出发送的数据信号.使用STBC技术，能够达到满分集的效果,即在具有M根发射天线N 根接收天线的系统中采用STBC技术时最大分集增益为MN.波束成形技术是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效提高天线增益.为了能够最大化指向用户的波束的信号强度，通常波束成形技术需要计算各个发射天线上发送数据的相位和功率,也称之威波束成形矢量。常见的波束成形矢量计算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根发射天线采用波束成形技术可以获得的最大发送分集增益为M。空间复用技术是将要传送的数据可以分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。常用的空间复用方法是贝尔实验室提出的垂直分层空时码,即V-BLAST技术，如图3所示。

三、V—BLAST 系统发送示意

图3 V—BLAST 系统发送示意

MIMO(Multiple—Input Multiple-Output)系统是一项运用于802.11n的核心技术。

802.11n是IEEE继802。11b\\a\\g后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。同时,专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的,它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量,相对于普通的SISO(Single—Input Single—Output）系统，MIMO还可以包括SIMO(Single—Input Multi-ple-Output）系统和MISO(Multiple—Input Single—Output)系统。

核心技术

D-BLAST

D—BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J。 Foschini提出。原始数据被分为若干子流,每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应,但是这种对应关系周期性改变,如图1。b所示,它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D—BLAST（Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余.如图1.b所示，在数据发送开始时,有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证D—BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M(发送天线数目）个发送时间间隔 ，那么burst的长度越小，这种浪费越严重.它的数据检测需要一层一层的进行，如图1.b所示：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b2……

V-BLAST

另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出.它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变.如图1.c所示,它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V—BLAST（Vertical—BLAST）。由于V—BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据,检测过程简单。

T—BLAST

考虑到D-BLAST以及V-BALST模式的优缺点，一种不同于D-DBLAST与V-BLAST的空时编码结构被提出：T—BLAST。等文献分别提及这种结构。它的层在空间与时间上呈螺纹（Threaded）状分布，如图2所示。原始数据流被多路分解为若干子流之后，每个子流被对应的天线发送出去，并且这种对应关系周期性改变，与D—BLAST系统不同的是，在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送,而是所有天线均进行发送，使得单从一个发送时间间隔来看，它的空时分布很像V—BALST，只不过在不同的时间间隔中，子数据流与天线的对应关系周期性改变。更普通的T—BLAST结构是这种对应关系不是周期性改变，而是随机改变.这样T—BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。

MIMO应用

为提高系统容量，在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成MIMO通信链路。在采用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接.具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信，与基站建立了MIMO通信链路。这样的系统结构不仅具备了传统的分布式天线系统的优势,减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过MIMO技术显著提高了信道容量。与集中式MIMO相比,DWCS的基站天线之间距离较远,不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容量更大。总体上说，分布式MIMO系统的信道容量更大，系统功耗更小，系统覆盖性能更好，系统具有更好的扩展性和灵活性。应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类：一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区，这一类可以称为集中式MIMO；另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区，可以称为分布式MIMO.

下行传输

LTER8/R9版本中下行引入了8种MIMO传输模式，其中LTEFDD常用的MIMO传输模式为模式1到模式6(TM1～TM6），而模式7（TM7）和模式8(TM8)主要应用于TDLTE系统中,下面是不同传输模式的简要说明.

–模式1：单天线端口传输（端口0)。 –模式2：开环发射分集.

–模式3:大延迟CDD空间复用与开环发射分集自适应。 –模式4：闭环空间复用与开环发射分集自适应. –模式5:多用户MIMO与开环发射分集自适应。 –模式6：单层闭环空间复用与开环发射分集自适应。

–模式7：单流波束赋形(端口5）与开环发射分集或单天线端口传输（端口0）自适应。 –模式8：双流波束赋形（端口7和端口8）或单流波束赋形（端口7或端口8）与开环发射分集或单天线端口传输（端口0）自适应。

下图所示是LTE系统中下行物理层处理过程，其中MIMO技术主要涉及到层映射和预编码两部分处理过程。层映射主要是根据传输的码字(单码字或双码字）和传输层数（取决于发射端天线数量),将数据流映射到不同的传输层.预编码的主要目的是使传输的信号更好地匹配信道条件，以获得更好的传输质量。预编码有基于码本和非码本两种方式。LTEFDD主要使用基于码本的预编码方式，主要是因为LTEFDD工作时上下行链路使用不同的频率，当有较大的双工间隔时,不能够直接使用反向信道的测量来估计正向信道的条件，所以主要依靠终端的反馈来辅助预编码。而TDLTE因为可以使用信道互易性，所以更容易实现基于非码本的预编码工作方式。

上行传输

对于R8/R9的LTE终端，主要配置为双天线,但是采用单发双收的工作模式。上行链路MIMO的工作方式主要包括以下几种:

–单天线传输：采用上行单天线传输方式，使用固定天线发送（端口0）。 –开环发送天线选择分集：采用上行单天线传输方式,终端选择天线进行上行传输.

–闭环发送天线选择分集：网络侧通过下行物理控制信道上承载的下行控制信息通知终端采用特定天线进行上行传输。

–上行MU—MIMO:网络侧能够根据信道条件变化自适应地选择多个终端共享相同的时频资源进行上行传输。

在3GPPR8/R9版本中，上行未使用空间复用技术，主要是考虑到射频实现复杂度高、MIMO信道非相关性实现较难、天线数量越多终端耗电越大、与其他无线通信系统(如GPS,蓝牙等）的干扰问题严重等因素.以射频实现为例，若要保证终端上行可以实现空间复用技术，一般情况下要求天线间至少要保证半个波长的空间隔离.假如此时上行传输使用2。6GHz的载波，空间隔离约为5cm,同市面的手持终端尺寸可比拟，相对容易实现;但是当载波低到1GHz以下，如700MHz时，半波长超过10cm，大于目前市面销售的一般手持终端的尺寸，所以对于1GHz以下的频率,实现手持终端的上行MIMO工作方式难度相对较大。