MIMO原理及测试

2.2.1  空间分集

空间分集对应于在不同的传输信道发送相对冗余的数据，这样可以提高系统的稳定性。常用的空间分集包含一下几种形式：

（1）接收分集

接收分集是在接收端使用比发射端更多的天线，最基本的接收分集包含2个接收天线和1个发射天线（SIMO，1×2），具体参见图5。

图5  SIMO天线配置

因为不需要特殊的编码方式，因此比较容易实现。在接收端只需2个射频通路。同时由于存在不同的传输路径，接收端可以观察到两个不同的衰落信号。在接收端使用适当的方法，可以增加接收端的信噪比。常用的方法包括开关选择分集和最大比例合并。选择开关分集总是使用较强的信号，而最大比例合并，是使用两个信号之和。具体形式参见图6。

图6  接收分集

（2）发射分集

如果发射天线数目比接收天线数目更多，称之为发射分集。最简单的发射分集形式是用2个发射天线和1个接收天线（MISO，2×1），具体参见图7。

图7  MISO天线配置

在2×1的MISO系统中，两个天线发送相应的数据内容。Alamouti的空时码是应用最广泛的天线编码方式。空时编码可以增加空间分集的性能：信号的副本通过不同的天线在不同的时间进行发送。发送的时延称为时延分集。Alamouti空时编码的实现方式如图8所示。

图8  Alamouti编码

在Alamouti编码中，信源首先被分为两组，每组两个字符。在第一个给定的字符间隔内，每组中的两个字符被同时发射：从天线1发射的信号为S1，从天线2发射的信号为S2。在下一个字符间隔内，信号-S2*从天线1发射，信号S1*从天线2发射。

目前，Alamouti编码已经扩展到多天线系统。当然，Alamouti编码也可以在频域实现，此时称为空频编码。

2.2.2  空分复用

空分复用不仅仅是为了增加系统的稳定性，同时也可以增加传输速率。为了提高传输速率，数据可以分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输。空分复用的天线形式如图9所示。

图9  MIMO天线配置

因为MIMO通过无线信道进行传输，不同的收发天线之间都存在相应的传输信道。同时由于每个传输路径的冲击响应的存在，因此不同的传输信道之间存在相互影响。根据公式2和公式3，如果MIMO系统的传输矩阵H是已知的，那么从接收机可以得到不同天线的数据内容。

2.2.3  波束形成

通过使用不同的天线技术可以明显地增加网络容量。例如，对于不同扇区的天线，每个天线可以覆盖60或120度，作为一个工作小区。在GSM系统中，相比于全向天线而言，采用120度波束天线可以提高3倍的小区容量。

自适应天线阵列可以通过窄带波束实现空间分集。智能天线属于自适应天线阵列的一种。智能天线可以形成一个特定用户的波束，并且可以根据反馈信号实现实时的动态调整。智能天线可包括切换式波束形成和自适应波束形成，可以用于所有的天线阵列系统以及MIMO系统（见图10）。

图10  切换波束形成和自适应波束形成

切换式波束形成可以计算到达角并且切换固定的波束。用户只能沿波束方向才可以得到最优的信号强度。而自适应波束形成可以根据运动的终端而实时地调整波束方向，因此自适应波束形成要比切换式波束形成的复杂程度更高，花费也更大。