MIMO技術在3G中的設計應用

1? 引言

人們對移動通信空口帶寬的需求不斷增加，為此，LTE選擇了MIMO等技術以實現高帶寬的目標。

由于LTE還需要一個較長的周期才能實現商用，加之已經部署的WCDMA網絡已經耗費了運營商大量的投資，因此HSPA+作為一個過渡技術誕生了。HSPA+吸收了LTE中不少先進技術，MIMO就是其中重要的一環。

2? 定義和發展歷史

MIMO又稱為多入多出（Multiple-Input Multiple-Output）系統，指在發射端和接收端同時使用多個天線的通信系統，在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。

MIMO技術最早是由馬可尼（Marconi）于1908年提出的，利用多天線來抑制信道衰落。70年代有人提出將多入多出技術用于通信系統，但是對無線移動通信系統多入多出技術產生巨大推動的奠基工作則是90年代由Bell實驗室學者完成的：1995年Telatar給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia給出D-BLAST（Diagonal Bell Labs Layered Space-Time)算法；1998年Tarokh等討論了用于多入多出的空時碼；1998年Wolniansky等人采用V-BLAST（Vertical Bell Labs Layered Space-Time）算法建立了一個MIMO實驗系統，在室內試驗中達到了20bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統中極難實現。這些工作受到各國學者的極大注意，并使得MIMO的研究工作得到了迅速發展。

3? MIMO的3種主要技術

當前，MIMO技術主要通過3種方式來提升無線傳輸速率及品質：

● 空間復用（Spatial Multiplexing）：系統將數據分割成多份，分別在發射端的多根天線上發射出去，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。

● 傳輸分集技術，以空時編碼（Space Time Coding）為代表：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。空時編碼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。

● 波束成型（Beam Forming）：系統通過多根天線產生一個具有指向性的波束，將信號能量集中在欲傳輸的方向，從而提升信號質量，并減少對其他用戶的干擾。

（1）空間復用

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，參見圖1。



圖1? 空間復用的系統示意框圖

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），分層空時處理算法（BLAST，Bell Labs Layered Space-Time）。

其中迫零算法，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個數的增加呈指數增加，因此，當發射天線的個數很大時，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Bell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。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該最強信號，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，世界上第一顆BLAST芯片在貝爾實驗室問世，這標志了MIMO技術走向商用的開始。

（2）空時編碼

空時編碼通過在發射端的聯合編碼增加信號的冗余度，從而使信號在接受端獲得分集增益，但空時編碼方案不能提高數據率。空時編碼的系統框圖參見圖2。



圖2? 空時編碼的系統示意框圖

空時編碼主要分為空時格碼和空時塊碼。

空時格碼在不犧牲系統帶寬的條件下，能使系統同時獲得分集增益和編碼增益。但是當天線個數一定時，空時格碼的解碼復雜度隨著分集程度和發射速率的增加呈指數增加。

為減小接收機的解碼復雜度，Alamouti提出了空時塊碼（STBC）的概念，STBC使得接收端只需采用簡單的線形處理進行解碼，從而降低了接收機的復雜度。

（3）波束成型

波束成型技術又稱為智能天線（Smart Antenna），通過對多根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（Constructive Interference），在其他方向形成相位抵消（Destructive Interference），從而實現信號的增益，參見圖3。



圖3? 定向智能天線的信號仿真效果

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根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。

4? 三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。空時編碼技術在無線相關性較大的場合也能很好的發揮效能。

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。

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。

5? MIMO技術在3G的應用

綜合使用空間復用技術和空時編碼技術，使得MIMO能夠在不同的使用場景下都發揮出良好的效果，3GPP組織也正是因為這一點，將MIMO技術納入了HSPA+標準（R7版本）。

出于成本及性能的綜合考慮，HSPA+中的MIMO采用的是2×2的天線模式：下行是雙天線發射，雙天線接收；上行為了降低終端的成本，縮小終端的體積，采用了單天線發射。也就是說，MIMO的效用主要是用在下行，上行只是進行傳輸天線選擇。

HSPA+中，MIMO規定了下行的Precoding預編碼矩陣，包括4種形式：

● 空間復用（Spatial Multiplexing）。
● 空時塊碼（Space Time Block Coding）。
● 波束成型（Beam Forming）。
● 發射分集（Transmit Diversity）。

在實際使用中，由基站根據無線環境的不同自動選擇使用。

在HSPA+上行方面，MIMO技術有兩種天線選擇方案，即開環和閉環。

● 開環方案即TSTD（時分切換傳輸分集），上行數據輪流在天線間交替發送，從而避免單條信道的快衰落，參見圖4。



圖4? 開環天線選擇方案

● 閉環方案中，終端必須從不同的天線發送參考符號，由基站進行信道質量測量，然后選擇信道質量好的天線進行數據發送，參見圖5。



圖5? 閉環天線選擇方案

MIMO技術能夠大大提高頻譜利用率，使得系統能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數據業務。作為MIMO技術的發明者，阿爾卡特朗訊首先提出將MIMO技術加入3GPP標準，并積極推動MIMO技術在HSPA+的應用。我們相信，MIMO技術必將在未來的移動網絡中占據重要的位置。