MIMO系统原理与标准概述

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对更高网络容量和更高无线网络性能的需求是不变的。多输入多输出(MIMO)系统能极大地改善频谱效率，因此MIMO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。

在过去几年中，无线业务变得越来越重要，同时对更高网络容量和更高性能的需求不断增长。几种选择方式如更高带宽、优化的调制方式甚至代码复用系统实际上提高频谱效率的潜力有限。MIMO系统通过采用天线阵列，利用空间复用技术来提高所使用带宽的效率。

MIMO系统利用来自一个信道的多个输入和多个输出。这些系统是用空间分集和空间复用定义的。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。采用空间复用，系统能在一个频率上同时传输一个以上的空间数据流。MIMO是在802.11n、802.16-2004和802.16e以及3GPP中制定的。包含MIMO的更新的标准是IEEE802.20和802.22。本应用笔记将概述MIMO系统的原理以及这些系统的标准化。本文将用到WCDMA、OFDM和天线阵列的基础知识。

MIMO信道

非MIMO系统用几个频率通过多个信道链接。MIMO信道具有多个链路，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。信道模型包括具有直接和间接信道分量的H矩阵。直接分量(例如h₁₁)描述信道平坦度，而间接分量(例如h₂₁)代表信道隔离。发送信号用s代表，接收信号用r代表。时间不变的窄带信道定义为：

了解H对于解码来说是必要的，并通过一个已知的训练序列估计。如果接收器将信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。

香农推出了下列公式，可以计算理论信道容量。

它包括了传输带宽f_g和信噪比。大多数信道容量的改善都是基于带宽扩展或者其他调制。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)，表示空间信息流的数量。例如，一个2x3的系统只能支持两个空间数据流，这个结果同样适用于2x4的系统。

对于MIMO，下面的公式给出容量的计算方法：

MIMO容量随着天线的数量呈线性增加。不对称的天线星座分布(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形式的增长。

空间复用

通过一个以上的天线发送多组数据流称为空间复用。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。

第二种类型是通过空间-时间编码实现的。与V-BLAST相比，空间时间编码提供正交编码方式，因此是独立的数据流。V-BLAST方法不能分离数据流，因此会出现多个数据流的干扰(MSI)。这会使传输变得不稳定，而前向错误编码并不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。空间复用的优势是，容量的增加与发送天线的数量线性相关。

空间分集

空间复用可以提供更高的容量，但是信号质量并无改善。空间复用不仅没有提高信号质量，反而使信号质量降低了。空间分集能改善信号质量，并在接收端达到更高的信噪比。特别是在广大的网络区域，空间复用技术达到了自身的极限。网络环境越大，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、通过任何频率，或者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。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比。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，可以采用所谓的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。通过采用比发送天线更多的接收天线和一种合适的组合算法，可以使用Rx分集。交换组合或最大定量组合是两个算法的例子。如果信道矩阵已知，这些算法与分集类型无关。用于空间分集的接收器算法见图2。通过近场空间复用和远场空间分集，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。这种延时发送称为延时分集。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在两个数据链中复用。之后，加入一个信号复制来产生Alamouti空间-时间块编码。

空间-时间编码可以用两种不同的方法设计：1. 空间-时间块编码(STBC)(2个发送天线=Alamouti编码，见图3)；2. 终态状态机(FSM)产生空间-时间Trellis编码(STTC)。第一种编码是获得空间分集的最简单方法，得到了广泛的应用。目前第二种编码更复杂并且昂贵。对于超过两个天线的情况，图4中列出了几种伪Alamouti编码。

图4：用于超过两个发送天线的复合Alamouti编码

图4中的编码指数首先与天线的数量有关，其次与空间数据流的数量相关。除了S₄₂，这些编码不能获得完全分集，并且四个数据流只能通过空间复用实现，没有任何空间分集。图5中的编码基于实际的空间-时间块编码设计，并产生具有完全空间复用的完全分集。

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开发了一种优化的空间-时间块编码，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。

空间数据流的数量不能超过现有天线的数量。注意空间分集和空间复用间的折衷对于可靠和强大的MIMO系统很重要。

在某些情况出现宏分集的概念。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站，宏分集用于基站切换处理。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

在增加网络容量上，天线技术很关键。这种技术开始于分扇区天线。这些天线覆盖60或120度，作为一个蜂窝运行。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复用。智能天线属于自适应天线阵列，但是在智能DoA(到达方向)估计上不同。智能天线独立于任何的支持的反馈，对用户终端是透明的，可以形成特定用户波束。可选的反馈可以降低阵列系统的复杂性。MIMO系统通常需要反馈，并且对用户不是透明的。波束成形是用于创建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

智能天线被分成下面的两类(图7)：1. 具有有限个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实时调整模式的自适应阵列系统(AAS)(自适应波束形成)。交换波束形成器计算DoA，并接通固定的波束。如果用户移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，会根据移动终端实时调整波束。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和正交频分复用(OFDM)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帧的长度决定于保护间隙(GI)。这个保护间隙限制最大路径延时，以及与延时相关的网络面积。MIMO也使用多径传播。2. OFDM是一种宽带系统，具有很多窄带子频段。数学MIMO信道模型基于窄带非频率选择性信道。OFDM也支持后者。宽带系统的衰落效应通常只发生在特定的频率，与很少的子频带干扰。数据扩展到所有的频段，因此只有很少的数据位丢失，而这些丢失的数据位可以通过前向纠错(FEC)进行修补。OFDM提供稳固的多径系统，适合于MIMO。同时OFDM提供高的频谱效率，以及在几个子频段上空间-时间块编码在时域扩展的一定自由度。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给出了所有当前的MIMO标准以及它们技术的概述。

表1：当前所有的MIMO标准以及它们相应的技术