深入剖析MIMO系统

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对更高网路容量和更高无线网路性能的需求是不变的。MIMO系统能大幅改善频谱效率，将在很多未来的无线通信系统中扮演重要角色。本文将概述MIMO系统的原理和这些系统的标准化。

过去几年，无线服务重要性日益提升，对更高网路容量和更高性能的需求不断成长。几种选择方式如更高频宽、最佳化的调变方式甚至程式码多工系统实际上提高频谱效率的潜力有限。多输入多输出(MIMO)系统透过采用天线阵列，利用空间多工技术来提高所使用频宽的效率。

MIMO系统利用来自一个信息通道的多个输入和多个输出。这些系统是用空间分集和空间多工定义的。空间分集分为Rx和Tx分集。信号的副本从另外一个天线发送或在多个天线处接收。採用空间多工，系统能在一个频率上同时传输一个以上的空间数据串流。

MIMO是在802.11n、802.16-2004和802.16e以及3GPP中制订的。包含MIMO的更新标准是IEEE802.20和802.22。本文将概述MIMO系统的原理以及这些系统的标准化，以及WCDMA、OFDM和天线阵列的基础知识。

MIMO信息通道

非MIMO系统用几个频率透过多个信息通道链接。MIMO信息通道具有多个链路，工作在相同的频率。该技术的挑战是所有信号路径的分离和均衡。信息通道模型包括具有直接和间接信息通道分量的H矩阵。直接分量(例如h₁₁)描述信息通道平坦度，而间接分量(例如h₂₁)代表信息通道隔离。发送信号用s代表，接收信号用r代表。时间不变的窄频信息通道定义为：

瞭解H对于解码来说是必要的，并透过一个已知的训练序列估计。如果接收器将信息通道近似值发送到发送器，则可以用来进行预编码。预编码能改善MIMO性能。

香农理论可计算理论信息通道容量。

它包括了传输频宽f_g和信息噪音比。大多数信息通道容量的改善都是基于频宽扩展或者其他调变。这些因素并不能很大地提高频谱效率。MIMO系统的香农容量又决定于天线的数量。M是最小的M_T(发送天线的数量)或M_R(接收天线的数量)，表示空间资讯串流的数量。例如，一个2x3的系统只能支援两个空间数据串流，这个结果同样适用于2x4的系统。

对于MIMO，以下公式提供了容量的计算方法：

MIMO容量随着天线数量呈线性增加。不对称的天线星座分佈(例如1x2或2x1)被称为接收或发送分集。在这些情况下容量(C_Tx/Rx)随天线的数量呈对数成长。

空间多工

透过一个以上的天线发送多组数据串流称为空间多工。有两种类型必须考虑。

第一种类型为V-BLAST(Vertical Bell实验室分层空间-时间)，它发送空间未编码的数据串流，不需要考虑在接收器上对信号进行均衡处理。

第二种类型是透过空间-时间编码实现的。与V-BLAST相较，空间时间编码提供正交编码方式，因此是独立的数据串流。V-BLAST方法不能分离数据串流，因此会出现多个数据串流的干扰(MSI)。这会使传输变得不稳定，而前向纠错编码并非总是能解决这个问题。空间-时间编码信号的检测基于一种简单的线性处理，并获得合理的结果。空间多工的优势是，容量的增加与发送天线的数量线性相关。

空间分集

空间多工可提供更高容量，但信号品质并无改善。空间多工不仅没有提高信号品质，反而使信号品质降低了。空间分集能改善信号品质，并在接收端达到更高的信息噪音比。特别是在广大的网路区域，空间多工技术达到了自身的极限。网路环境越大，信号强度就必须越高。

分集原理依赖于结构化冗余的传输。这种冗余可以在任何时间，从任何天线、透过任何频率，或以任何极化方式传输。而目前在MIMO技术中并没有考虑后一种方法。因此必须考虑两种空间分集：1. Tx分集，一个信号的副本从另外一个天线发送(例如2x1)；2. Rx分集，接收到的信号进行多次评估(例如2x1)。第一种可以与单声道和立体声信号相较。如果是立体声信号，人耳可以感受到更好的声音效果。第二种分集类似于两只耳朵，所听到的效果比单只耳朵更好。

图1：MIMO物理信道的空间-时间编解码

为利用Tx分集，可以採用所谓的Alamouti空间-时间编码(见图3)。它可以获得完全的分集，只使用一个接收天线。透过采矿用比发送天线更多的接收天线和一种合适的组合演算法，可以使用Rx分集。交换组合或最大定量组合是两个演算法的例子。如果信息通道矩阵已知，这些演算法与分集类型无关。用于空间分集的接收器演算法见图2。透过近场空间多工和远场空间分集，可以实现无线通信系统的最佳性能和覆盖范围。

图2：图2用于空间分集的接收器算法，A和B为相同的信号

空间-时间编码

空间-时间编码改善了性能，并使空间分集可以使用。信号的副本不仅从另外一个天线发送，而且在另外的时间发送。这种延迟发送称为延迟分集。空间-时间编码结合了空间和时间信号副本，如图3所示。

图3：用于2个Tx天线空间-时间编码的Alamouti空间-时间块编码

信号s₁和s₂在两个数据链中多工。之后，加入一个信号复制来产生Alamouti块状时空编码(STBC)。

空间-时间编码可以用两种不同的方法设计：1. 块状时空编码(2个发送天线=Alamouti编码，见图3)；2. 终态状态机(FSM)产生栅格时空编码(STTC)。第一种编码是获得空间分集的最简单方法，已获得广泛应用。目前第二种编码更复杂且昂贵。对于超过两个天线的情况，图4列出了几种伪Alamouti编码。

图4中的编码指数首先与天线的数量有关，其次与空间数据串流的数量相关。

图4：用于超过两个发送天线的復合Alamouti编码

除了S₄₂，这些编码不能获得完全分集，且四个数据串流只能透过空间多工实现，没有任何空间分集。图5中的编码基于实际的块状时空编码设计，并产生具有完全空间多工的完全分集。

图5：用于3个Tx天线的空间-时间块编码

这种编码的问题是码率。码率是所使用信号与传输所需要时间的比值。上面的编码具有1/2的码率。

Vahid Tarokh开发了一种最佳化的块状时空编码，用于将码率增加到3/4。这种准正交STBC(见图6)很有效，但是允许一定的符号间干扰(ISI)。

图6：用于3个Tx天线的优化的空间-时间块编码

尽管存在符号间干扰，误码率(BER)依然在允许范围内。这些编码都不能用来获得像Alamouti那样的全码率。

空间数据串流的数量不能超过现有天线数量。注意空间分集和空间多工间的折衷对于可靠和强大的MIMO系统很重要。

在某些情况会出现巨集分集的概念。这种分集可以用在MIMO系统中，但是与这些系统无关。如果终端设备同时连接到多个基地台，巨集分集用于基地台切换处理。用户终端从几个方向接收到相同的信号，并将所有的信号组合起来获得更高的SNR。

天线系统

天线技术对增加网路容量很关键。这种技术始于分扇区天线。这些天线覆盖60或120度，以蜂巢式执行。在GSM中，采用120度天线容量可以扩大到3倍。自适应天线阵列采用窄波束加强空间多工。智能天线属于自适应天线阵列，但是在智能到达方向(DoA)估计上不同。智能天线独立于任何的支援的反馈，对用户终端是透明的，可以形成特定用户波束。可选的反馈可降低阵列系统的复杂性。MIMO系统通常需要反馈，且对用户不是透明的。波束成形是用于制作天线阵列辐射模式的一种方法。它可以用在所有的天线阵列以及MIMO系统。

图7：交换波束形成和自适应波束形成

智能天线分成以下两种(图7)：1. 具有有限固定预定义模式的相位阵列系统(交换波束形成)；2. 具有无数个根据情况即时调整模式的自适应阵列系统(自适应波束形成，AAS)。交换波束形成器运算DoA，并接通固定的波束。如果用户行动时跨越这些固定的波束，信号抖动会导致中断。换言之，用户只能沿着波束中心才能获得最佳的信号强度。自适应波束成形器解决了这个问题，会根据行动终端即时调整波束。这种系统的复杂性和成本高于第一种类型。

MIMO和OFDM

MIMO可以应用于所有的无线通信技术。然而，MIMO和OFDM(正交频分多工)的结合具有以下优点：1. OFDM适合于无线系统中的多径传播。OFDM讯框的长度决定于保护间隙(GI)。这个保护间隙限制最大路径延迟，以及与延迟相关的网路面积。MIMO也使用多径传播。2. OFDM是一种宽频系统，具有很多窄频子频段。数学MIMO信息通道模型基于窄频非频率选择性信息通道。OFDM也支援后者。宽频系统的衰落效应通常只发生在特定频率，很少子频带干扰。数据扩展到所有频段，因此只有很少的数据位元丢失，这些丢失的数据位元可透过前向纠错(FEC)进行修补。OFDM提供稳固的多径系统，适用于MIMO。OFDM也提供高频谱效率，以及几个子频段上块状时空编码在时域扩展时的一定自由度。这就可以基于前面描述的原理得到一个更稳固的系统。

MIMO标准

表1提供了所有目前的MIMO标准及技术概述。

表1：当前所有的MIMO标准以及它们相应的技术