3G4G应用中MIMO技术的实现挑战与解决方案

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        今天,先进的3G/4G(HSPA+、LTE和IMT-advanced)应用普遍采用多路输入多路输出(MIMO)技术。借助增强的频谱效率,MIMO能够保证实现更高的数据速率,并通过将电子信息嵌入到空间处理单元来提高无线系统的性能。空间处理包括在发射机上进行空间预编码和在接收机上进行空间后编码,从信息信号处理理论角度讲,它们彼此之间进行的是双重处理。MIMO技术与正交频分多路复用(OFDM)相结合可以充分利用无线信道空间分集和多径的特征,实现先进的3G宽带无线通信和高频谱利用率。



                                                                                                      表1:适用于3G标准的3G MIMO技术的演进历程。

        表2是3GPP LTE标准TR 25.913的概述,它显示了在固定64QAM调制深度时,单路输入单路输出(SISO)和MIMO天线配置中的性能。这些数字表示在理想的无线条件下(具有信令开销补偿),频分双工(FDD)空中接口的物理限制。



                                                                                                    表2:3G MIMO应用(64QAM)的数据速率性能。

        在无线通信系统中,在发射机和/或接收机上使用多个天线开辟了一个新的维度空间。如果能够正确利用这一技术,可以极大地提高性能,它现在被广泛地称为MIMO系统。这里的输入和输出指的是无线信道。发射机的多个天线意味着有多个信号输入到无线信道中,接收机的多个天线是指有多个信号从无线信道输出。图1是对SISO、SIMO、MISO和MIMO系统的简单演示。通过本图,您可以很容易理解对于发射机天线(T)和接收机天线(R)的MIMO系统来说,如果每个发射接收天线对之间的信道独立进行衰落,则信道分集阶数为T×R。



                                                                                                    图1:SISO、SIMO、MISO和MIMO系统之间的关系。

        不同的MIMO应用 

        在一个密集的多径散射环境中,MIMO系统可充分利用通过空间分隔的天线获得空间分集。MIMO系统能够通过许多不同方法来实施,以获得抵抗信号衰落的分集增益或者容量增益。通常,MIMO技术具有三种类型。第一类旨在通过最大化空间分集提高功率效率。此类技术包括延迟分集、空时分组编码(STBC)和空时网格码(STTC)。第二类利用丰富的散射环境中的空间复用,通过天线传输相互独立的数据信号,以提高数据速率,但通常不能够达到完整的空间分集。第三类利用的是发射机的信道信息,又称为波束赋形。它利用信道信息建立波束赋形矩阵,作为发射机和接收机的前置滤波器和后置滤波器的,以实现容量增益。 

        空间分集 

        无线信道中信号功率的波动非常快速。信号功率显著下降时,信道处于衰落状态。分集用于在无线信道中抵抗衰落。接收天线分集可在SIMO通道中使用。接收天线接收同一信号独立的衰落状态,并与这些信号相结合,使得合成信号的幅度变化小于任一天线的信号。通常使用独立衰落信道数来描述分集的特征,这一数目也称为分集阶数,并且如果同一发射天线针对所有接收天线的信道具有独立的衰落特性,则分集与SIMO信道中接收天线的数量相等。发射分集适用于MISO信道并且已经成为备受关注的研究领域。提取分集需要适当的设计发射信号。在接收机上使用合适的组合方案,以获得分集增益。如果所有发射天线到同一接收天线的信道具有独立的衰落特性,则该信道的分集与发射天线的数量相等。



                                                                   图2:(a) Alamouti空时编码发射机结构;(b) 空间复用发射机结构;(c) 波束赋形发射机结构。

        图2给出了一个简单的发射机分集方案实例,也称为Alamouti空时编码。在指定的符码周期,两个天线同时发出两个信号。在符码周期t1,分别从天线0和天线1发送信号s0和s1,在下一个符码周期t2内,天线0发送信号-s1*,天线1发送信号s0*,其中()*是复共轭运算。这一序列如图2所示。编码是在空时编码中完成的,也可在空频编码中完成。可使用两个相邻的载波(空频编码)来替代两个相邻的符码周期。使用MIMO信道的分集需要将上述发射和接收分集相结合。如果每个发射接收天线对之间的信道独立衰落,则分集顺序与发射和接收天线的数量相等。 

        空间复用 

        空间复用可以为相同带宽的信号提供线性增长的传输速率,而且不会造成额外的功率损耗。 

        图2(a)给出了含有两个发射天线的简单的空间复用系统,这一概念可扩展到更普遍的MIMO系统中。发射的比特流被去复用到两个具有一半速率的子比特流中,由每个发射天线同时进行调制和发射。例如在图2(a)中,在符码周期t1内,天线0发射符号s0,从天线1发射符号s1。在符码周期t2内,天线0发射符号s2,天线1发射符号s3。因此,发射速率是SISO系统的两倍。在最佳的信道条件下,接收机端接收到的信号的空间特性,可以被很好的分离。接收机根据信道信息可以对两个同信道信号进行区别和提取。进行解调之后,子比特流能够相互结合产生原始比特流。所以,空间复用所能提高的传输速率与发射接收天线对的数量成正比。空间复用还可用于多用户格式,也就是空分多址或SDMA。假设两个用户发射独立的信号,这两个信号均到达一个配有两个天线的基站。该基站可以分离这两个信号,以支持两个用户同时使用信道。这使容量能够根据基站的天线数量和用户数量成比例的增加。 

        波束赋形 

        在空间分集和空间复用中,通常认为发射机不了解信道信息。当发射机具备信道信息时,可改善系统性能。信道信息可以是完整的也可以是部分的。完整的信道信息意味着发射机已知信道矩阵。部分信息可能指的是瞬时信道的某些参数(例如矩阵信道的条件数)或统计特性(例如发射或接收的相关特性)。图2(b)显示了使用信道信息的预编码框架。发射信号(S0,S1)与预编码相乘,这可以解释为波束赋形。经过预编码之后,两个分离的数据流可从两个发射天线同时发送,作为空间复用,但是矩阵编码器将根据信道信息发生变化。假设发射机已经知道发射相关矩阵,则可以使用相关矩阵的特征矩阵建立预编码矩阵,以优化遍历容量。将2×2预编码矩阵表示为W,则符码周期t1内的发射符码为:



        同样,可以使用预编码矩阵表示发射符码×2和×3。在这个预编码方案中,传输速率与发射接收天线对的数量成正比。 
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