0 前言

多入多出（MIMO）系統指在發射端和接收端同時使用多個天線的通信系統。研究證明，MIMO技術非常適用于城市內復雜無線信號傳播環境下的無線寬帶通信系統，在室內傳播環境下的頻譜效率可以達到20～40 bit/s/Hz；而使用傳統無線通信技術在移動蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz，在點到點的固定微波系統中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射頻信號多徑會引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIMO系統來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO技術作為提高數據傳輸速率的重要手段得到人們越來越多的關注，被認為是新一代無線通信技術的革命。

1 MIMO系統的3種主要技術

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當前，MIMO技術主要利用發射分集的空時編碼、空間復用和波束成型等3種多天線技術來提升無線傳輸速率及品質。

1.1 發射分集的空時編碼

基于發射分集技術的空時編碼主要有2種，即空時分組碼（STBC）和空時格碼（STTC）。雖然空時編碼方案不能直接提高數據率，但是通過這些并行空間信道獨立、不相關地傳輸信息，從而使信號在接收端獲得分集增益，為數據實現高階調制創造條件。

1.1.1 空時分組碼（STBC）

STBC在發射端對數據流進行聯合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，它通過在發射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益，空時分組碼是將同一信息經過正交編碼后從多根天線發射出去。MIMO系統的原理如圖1所示，傳輸信息流s（k）經過空時編碼形成N個信息子流ci（k），i=1，...，N。這N個信息子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。特別是這N個子流同時發射信號，各發射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發射接收天線間的通道響應獨立不相關，則多入多出系統可以創造多個并行空間信道。

STBC是1998年，Alamouti提出的一種非常簡單的發射分集技術，由于其簡單的結構和良好的性能，很快進入了3GPP標準。STBC實質上是將同一信息經過正交編碼后從2個天線上發射出去，2路信號由于具有正交性，在接收端就能將2路獨立的信號區別出來，只需要做簡單的線性合并就可以獲得分集增益。

但是，STBC的正交碼組的構建還存在一定的問題。對于實數信號星座（PAM星座），它才可以構造編碼速率為1的空時編碼算法。但是，對于一個普通的復數信號星座，例如MQAM（如16QAM）或MPSK（如8PSK），當發射天線陣子數目大于2時，是否存在編碼速率為1的碼組還有待更深入的研究。目前對于發射天線陣子數目等于3、4以及大于4的系統，如果采用復數信號星座，那么最大的空時編碼速率只能達到3/4和1/2?？梢?，對于采用高階調制的高速率多天線的無線通信系統，如果直接采用空時分組編碼算法，不可能充分地利用系統的有效性。因此，尋找更好的空時分組碼目前已成為一個研究方向；另外，如何在頻率選擇性信道、時間選擇性信道中充分利用空時分組碼的優勢也是一個研究課題?？傊斍癝TBC還是基于發射天線陣子數目等于2的發射分集技術。

1.1.2 空時格碼（STTC）

STTC是從空時延遲分集發展來的，而空時延遲分集可以看作是空時格碼的一個特例?？諘r格碼具有卷積碼的特征，它將編碼、調制、發射分集結合在一起，可以同時獲得分集增益和編碼增益，并且使得系統的性能有很大的提升。空時格碼利用某種網格圖，將同一信息通過多個天線發射出去，在接收端采用基于歐式距離的Viterbi譯碼器譯碼。因此譯碼復雜度較高，而且譯碼復雜度將隨著傳輸速率的增加呈指數增加。

早期的分集模型采用延時發送分集，這種分集的框圖如圖2所示。編碼后的數據首先被重復一次，然后通過一個串/并轉換器，分成2個完全相同的數據流。其中一數據流經過調制后直接從一個天線發送出去；另一數據流經過一個符號的延時后，再經調制從另一個天線發送出去。由于數據在2個天線上同時發送，不同的只是一路數據被延時了一個符號，所以盡管采用了延時編碼，卻不會存在頻帶效率的損失。在接收端，通過Viterbi譯碼可以進行解調。這種延時的分集就是空時碼的雛形?？梢宰C明當前所講的STTC可以由延時發送分集實現。

延時分集技術的產生使人們很自然地想到，能否存在一種更好的編碼方式，不需要重復編碼，就能在保持同樣的數據速率、不犧牲帶寬的情況下獲得更好的性能，這樣就產生了一種新的編碼方式，這就是集空分、時分、調制于一體的空時編碼。

在空時編碼中，STTC能夠在不增加傳送寬帶和不改變信息速率的情況下，獲得最大的編碼增益和分集增益。

1.2 空間復用

系統將數據分割成多份，分別在發射端的多個天線上發射出去，接收端接收到多個數據的混合信號后，利用不同空間信道間獨立的衰落特性，區分出這些并行的數據流。從而達到在相同的頻率資源內獲取更高數據速率的目的?？臻g復用與發射分集技術不同，它在不同天線上發射不同信息。

空間復用技術是在發射端發射相互獨立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進行解碼，此時的空口信道容量隨著天線數量的增加而線性增大，從而能夠顯著提高系統的傳輸速率（見圖3）。

使用空間復用技術時，接收端必須進行復雜的解碼處理。業界主要的解碼算法有迫零算法（ZF）、MMSE算法、最大似然解碼算法（MLD）和貝爾實驗室分層空時處理算法（BLAST）。

迫零算法，MMSE算法是線性算法，比較容易實現，但對信道的信噪比要求較高，性能不佳；MLD算法具有很好的譯碼性能，但它的解碼復雜度隨著發射天線數量的增加呈指數增加，因此，當發射天線的數量很大時，這種算法是不實用的；綜合前述算法優點的BLAST算法是性能和復雜度最優的。

BLAST算法是貝爾實驗室提出的一種有效的空時處理算法，目前已廣泛應用于MIMO系統中。BLAST算法分為D-BLAST算法和V-BLAST算法。

D-BLAST算法是由貝爾實驗室的G.J.Foschini于1996年提出的。對于D-BLAST算法，原始數據被分為若干子數據流，每個子流獨立進行編碼，而且被循環分配到不同的發射天線。D-BLAST的好處是每個子流的數據都可以通過不同的空間路徑到達接收端，從而提高了鏈路的可靠性，但其復雜度太大，難以實際使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進的V-BLAST算法，該算法不再對所有接收到的信號同時解碼，而是先對最強信號進行解碼，然后在接收信號中減去最強信號，再對剩余信號中最強信號進行解碼，再次減去，如此循環，直到所有信號都被解出。

2002年10月，世界上第一個BLAST芯片在貝爾實驗室問世，這標志著MIMO技術走向商用的開始。

1.3

波束成型技術又稱為智能天線，通過對多個天線輸出信號的相關性進行相位加權，使信號在某個方向形成同相疊加，在其他方向形成相位抵消，從而實現信號的增益。

當系統發射端能夠獲取信道狀態信息時（如TDD系統），系統會根據信道狀態調整每個天線發射信號的相位（數據相同），以保證在目標方向達到最大的增益；當系統發射端不知道信道狀態時，可以采用隨機波束成形方法實現多用戶分集。

2 3種技術的優缺點及應用場景

空間復用能最大化MIMO系統的平均發射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時使用，可能無法使用高階調制方式（如16QAM等）。

無線信號在密集城區、室內覆蓋等環境中會頻繁反射，使得多個空間信道之間的衰落特性更加獨立，從而使得空間復用的效果更加明顯。

無線信號在市郊、農村地區，多徑分量少，各空間信道之間的相關性較大，因此空間復用的效果要差許多。

對發射信號進行空時編碼可以獲得額外的分集增益和編碼增益，從而可以在信噪比相對較小的無線環境下使用高階調制方式，但無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利?？諘r編碼技術在無線相關性較大的場合也能很好地發揮效能。

因此，在MIMO的實際使用中，空間復用技術往往和空時編碼結合使用。當信道處于理想狀態或信道間相關性小時，發射端采用空間復用的發射方案，例如密集城區、室內覆蓋等場景；當信道間相關性大時，采用空時編碼的發射方案，例如市郊、農村地區。這也是3GPP在FDD系統中推薦的方式。

波束成型技術在能夠獲取信道狀態信息時，可以實現較好的信號增益及干擾抑制，因此比較適合TDD系統。

依據文獻［4］，波束成型技術不適合密集城區、室內覆蓋等環境，由于反射的原因，一方面接收端會收到太多路徑的信號，導致相位疊加的效果不佳；另一方面，大量的多徑信號會導致DOA信息估算困難。

3 二重接收分集技術的數據速率提升作用

3G（WCDMA）室內空間二重分集接收的實測數據速率，也可說明

多天線作用。室內分布空間二重分集接收如圖4所示。

從表1可看出室內覆蓋，二重分集接收速率提升2倍以上。

相關的規劃設計人員應該思考在大樓內建3G基站，該花的錢，如基站主設備、物業、管道、基房、配套電源及空調等等加起來恐怕不會少于10萬元，但僅僅缺少一路主饋線（200 m 0.6萬元）不能用于分集（注意，原2天線1~2之間8 m沒有分集），現改為分集，使得系統數據容量翻倍。

4 不強不弱的均勻信號覆蓋對數據速率的影響

在3G/4G技術中，MIMO技術理論上為數據實現高階調制，但是在實際覆蓋區內信號太強或太弱都不可能實現數據高階調制，只有不強不弱的均勻信號才能采用數據高階調制，從而得到數據速率的提升。

4.1 泰爾實驗室實測數據［5］

泰爾實驗室實測WLAN（OFDM）數據速率與場強關系見表2。

4.2 A8 設備性能

京信公司無線傳輸與接入事業部提供的A8 Super Wi-Fi設備性能見表3。

實際工程為了90%無線覆蓋區可接入系統，應有8dB陰影衰落儲備，因此其覆蓋電平對應數據速率應如表3所示。

4.3 結論

從表2和表3可看出當接收機輸入電平為-82dBm時，數據速率僅為6 Mbit/s，當接收機輸入電平為-65dBm時，數據速率達到54 Mbit/s，數據速率提升9倍，說明未來LTE基站邊界電平應取-75dBm，而不是2G時代的-85dBm。

5 未來MIMO天線建設模式

將可能有2種天線建設模式：即2G/3G時代的宏基站天線建設模式和分布式天線建設模式。

5.1 宏基站天線建設模式

宏基站天線建設模式如圖5所示，將MIMO天線放在3扇區中心的30 m高塔上。圖6示出的是宏基站覆蓋信號電平分布示意圖。

5.2 分布式天線建設模式

圖7示出的是文獻［3］給出的建設模式。圖7中1+6個近遠端覆蓋范圍等于1個宏基站覆蓋范圍。覆蓋區內采取小功率、多天線的模式進行覆蓋。天線掛高不宜過高（8m左右）；室外天線口功率為15~30dBm；市區天線覆蓋半徑在150 m以內。

無線區域中心地理位置位于片區中心，射頻拉遠遠端機以無線區域中心為圓心向各個方向拉遠覆蓋。

比較圖6和圖8可以發現：采用分布式天線建設模式可以得到不強不弱的信號覆蓋，依據文獻［3］和［5］，數據速率將提升3倍以上，因此，MIMO應采用分布式天線建設模式。采用當前3G的宏基站天線建設模式時，最大問題是覆蓋區內信號電平分布極不均勻，信號功率按距離四次方衰減，覆蓋區內有一半區域（信號電平為-75~-85dBm）不能提供高速率數據，此時需大量的中繼拉遠設備（無線或有線光纖拉遠設備）來覆蓋信號陰影區，才能保證95%區域信號電平達到-75dBm以上，否則會回到2G時代只能提供低速率數據。

6 當前密集城區使用智能天線問題討論

上文提到MIMO技術有波束成型和分集，它們最大區別是前者的直列陣子相關性很強，直列陣子之間距離在0.5個波長之內。后者直列陣子相關性很差，陣子之間距離在10個波長之上稱為空間分集或用交叉極化天線來達到分集效果。那么當前TD-SCDMA在密集城區使用標準的垂直極化智能天線效果如何，其實早就發現問題，實際還不如將垂直極化天線陣（8列垂直極化天線陣）換成交叉極化天線陣（4×2交叉極化天線陣）。此時智能天線作用被弱化，分集作用加強，這就是TD-SCDMA有8通道分集，其中4通道+45°與另外的4通道-45°實現交叉極化二重分集。

建議對于密集城區，每個扇區采用四重分集（4×4 MIMO天線）。

可將當前的2 W 8通道，減為10 W 4通道，用交叉極化分集和空間分集聯合使用，實現4通道分集，獲得增益6dB。這樣取消3扇區基站共24（3×8）個塔放被， 將27（3×9）根射頻饋線減為12（3×4）根，81（3×3×9）個防水接頭減為12（3×4）個。對于市郊、農村地區，多徑分量少，各空間信道之間的相關性較大，因此可用垂直極化6（或4）列智能天線，不建議使用交叉極化智能天線。