人們對(duì)移動(dòng)通信空口帶寬的需求不斷增加，為此,，LTE選擇了MIMO等技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高帶寬的目標(biāo),。
由于LTE還需要一個(gè)較長(zhǎng)的周期才能實(shí)現(xiàn)商用，加之已經(jīng)部署的WCDMA網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)耗費(fèi)了運(yùn)營(yíng)商大量的投資,，因此HSPA+作為一個(gè)過(guò)渡技術(shù)誕生了,。HSPA+吸收了LTE中不少先進(jìn)技術(shù)，MIMO就是其中重要的一環(huán),。
2 定義和發(fā)展歷史
MIMO又稱為多入多出（Multiple-Input Multiple-Output）系統(tǒng),，指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的通信系統(tǒng)，在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率,。
MIMO技術(shù)最早是由馬可尼（Marconi）于1908年提出的,，利用多天線來(lái)抑制信道衰落。70年代有人提出將多入多出技術(shù)用于通信系統(tǒng),，但是對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動(dòng)的奠基工作則是90年代由Bell實(shí)驗(yàn)室學(xué)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(shí)碼,；1998年Wolniansky等人采用V-BLAST（Vertical Bell Labs Layered Space-Time）算法建立了一個(gè)MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，在室內(nèi)試驗(yàn)中達(dá)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(tǒng)中極難實(shí)現(xiàn),。這些工作受到各國(guó)學(xué)者的極大注意,，并使得MIMO的研究工作得到了迅速發(fā)展。
3 MIMO的3種主要技術(shù)
當(dāng)前,，MIMO技術(shù)主要通過(guò)3種方式來(lái)提升無(wú)線傳輸速率及品質(zhì)：
● 空間復(fù)用（Spatial Multiplexing）：系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分割成多份,，分別在發(fā)射端的多根天線上發(fā)射出去,，接收端接收到多個(gè)數(shù)據(jù)的混合信號(hào)后，利用不同空間信道間獨(dú)立的衰落特性,，區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流,。從而達(dá)到在相同的頻率資源內(nèi)獲取更高數(shù)據(jù)速率的目的。
● 傳輸分集技術(shù),，以空時(shí)編碼（Space Time Coding）為代表：在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤率,。空時(shí)編碼通過(guò)在發(fā)射端增加信號(hào)的冗余度,，使信號(hào)在接收端獲得分集增益,。
● 波束成型（Beam Forming）：系統(tǒng)通過(guò)多根天線產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將信號(hào)能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，從而提升信?hào)質(zhì)量,，并減少對(duì)其他用戶的干擾。
（1）空間復(fù)用
空間復(fù)用技術(shù)是在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào),，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼,，此時(shí)的空口信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增大，從而能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率,，參見(jiàn)圖1,。
圖1 空間復(fù)用的系統(tǒng)示意框圖
使用空間復(fù)用技術(shù)時(shí)，接收端必須進(jìn)行復(fù)雜的解碼處理,。業(yè)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(shí)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(shí)現(xiàn)，但對(duì)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(fù)雜度隨著發(fā)射天線個(gè)數(shù)的增加呈指數(shù)增加,，因此,，當(dāng)發(fā)射天線的個(gè)數(shù)很大時(shí)，這種算法是不實(shí)用的,；綜合前述算法優(yōu)點(diǎn)的BLAST算法是性能和復(fù)雜度最優(yōu)的,。
BLAST算法是Bell實(shí)驗(yàn)室提出的一種有效的空時(shí)處理算法，目前已廣泛應(yīng)用于MIMO系統(tǒng)中,。BLAST算法分為D-BLAST算法和V-BLAST算法,。
D-BLAST算法是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的G.J.Foschini于1996年提出,。對(duì)于D-BLAST算法,，原始數(shù)據(jù)被分為若干子數(shù)據(jù)流,，每個(gè)子流獨(dú)立進(jìn)行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線,。D-BLAST的好處是每個(gè)子流的數(shù)據(jù)都可以通過(guò)不同的空間路徑到達(dá)接收端,，從而提高了鏈路的可靠性，但其復(fù)雜度太大,，難以實(shí)際使用,。
1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進(jìn)的V-BLAST算法，該算法不再對(duì)所有接收到的信號(hào)同時(shí)解碼,，而是先對(duì)最強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行解碼,，然后在接收信號(hào)中減去該最強(qiáng)信號(hào)，再對(duì)剩余信號(hào)中最強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行解碼,，再次減去,，如此循環(huán)，直到所有信號(hào)都被解出,。
2002年10月,，世界上第一顆BLAST芯片在貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，這標(biāo)志了MIMO技術(shù)走向商用的開(kāi)始,。
（2）空時(shí)編碼
空時(shí)編碼通過(guò)在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號(hào)的冗余度,，從而使信號(hào)在接受端獲得分集增益，但空時(shí)編碼方案不能提高數(shù)據(jù)率,?？諘r(shí)編碼的系統(tǒng)框圖參見(jiàn)圖2。
圖2 空時(shí)編碼的系統(tǒng)示意框圖
空時(shí)編碼主要分為空時(shí)格碼和空時(shí)塊碼,。
空時(shí)格碼在不犧牲系統(tǒng)帶寬的條件下,，能使系統(tǒng)同時(shí)獲得分集增益和編碼增益。但是當(dāng)天線個(gè)數(shù)一定時(shí),，空時(shí)格碼的解碼復(fù)雜度隨著分集程度和發(fā)射速率的增加呈指數(shù)增加,。
為減小接收機(jī)的解碼復(fù)雜度，Alamouti提出了空時(shí)塊碼（STBC）的概念,，STBC使得接收端只需采用簡(jiǎn)單的線形處理進(jìn)行解碼,，從而降低了接收機(jī)的復(fù)雜度。
（3）波束成型
波束成型技術(shù)又稱為智能天線（Smart Antenna）,，通過(guò)對(duì)多根天線輸出信號(hào)的相關(guān)性進(jìn)行相位加權(quán),，使信號(hào)在某個(gè)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的增益,，參見(jiàn)圖3,。
圖3 定向智能天線的信號(hào)仿真效果
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)（如TDD系統(tǒng)），系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每根天線發(fā)射信號(hào)的相位（數(shù)據(jù)相同）,，以保證在目標(biāo)方向達(dá)到最大的增益,；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時(shí)，可以采用隨機(jī)波束成形方法實(shí)現(xiàn)多用戶分集,。
4 三種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景
空間復(fù)用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率,，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時(shí)使用,，可能無(wú)法使用高階調(diào)制方式,，如16QAM等。
無(wú)線信號(hào)在密集城區(qū),、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會(huì)頻繁反射,，使得多個(gè)空間信道之間的衰落特性更加獨(dú)立，從而使得空間復(fù)用的效果更加明顯,。
無(wú)線信號(hào)在市郊,、農(nóng)村地區(qū)，多徑分量少,，各空間信道之間的相關(guān)性較大,，因此空間復(fù)用的效果要差許多。
對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行空時(shí)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(duì)較小的無(wú)線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式,，但無(wú)法獲取空間并行信道帶來(lái)的速率紅利?？諘r(shí)編碼技術(shù)在無(wú)線相關(guān)性較大的場(chǎng)合也能很好的發(fā)揮效能,。
因此，在MIMO的實(shí)際使用中,，空間復(fù)用技術(shù)往往和空時(shí)編碼結(jié)合使用,。當(dāng)信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性小時(shí)，發(fā)射端采用空間復(fù)用的發(fā)射方案,，例如密集城區(qū),、室內(nèi)覆蓋等場(chǎng)景；當(dāng)信道間相關(guān)性大時(shí),，采用空時(shí)編碼的發(fā)射方案,，例如市郊、農(nóng)村地區(qū),。這也是3GPP在FDD系統(tǒng)中推薦的方式,。
波束成型技術(shù)在能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)增益及干擾抑制,，因此比較適合TDD系統(tǒng),。
波束成型技術(shù)不適合密集城區(qū),、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因,，一方面接收端會(huì)收到太多路徑的信號(hào),，導(dǎo)致相位疊加的效果不佳；另一方面,，大量的多徑信號(hào)會(huì)導(dǎo)致DOA信息估算困難,。
5 MIMO技術(shù)在3G的應(yīng)用
綜合使用空間復(fù)用技術(shù)和空時(shí)編碼技術(shù),，使得MIMO能夠在不同的使用場(chǎng)景下都發(fā)揮出良好的效果,，3GPP組織也正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，將MIMO技術(shù)納入了HSPA+標(biāo)準(zhǔn)（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(fā)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(fā)射,。也就是說(shuō),，MIMO的效用主要是用在下行，上行只是進(jìn)行傳輸天線選擇,。
HSPA+中,，MIMO規(guī)定了下行的Precoding預(yù)編碼矩陣，包括4種形式：
● 空間復(fù)用（Spatial Multiplexing）,。
● 空時(shí)塊碼（Space Time Block Coding）,。
● 波束成型（Beam Forming）。
● 發(fā)射分集（Transmit Diversity）,。
在實(shí)際使用中,，由基站根據(jù)無(wú)線環(huán)境的不同自動(dòng)選擇使用。
在HSPA+上行方面,，MIMO技術(shù)有兩種天線選擇方案,，即開(kāi)環(huán)和閉環(huán)。
● 開(kāi)環(huán)方案即TSTD（時(shí)分切換傳輸分集）,，上行數(shù)據(jù)輪流在天線間交替發(fā)送,，從而避免單條信道的快衰落，參見(jiàn)圖4,。
圖4 開(kāi)環(huán)天線選擇方案
● 閉環(huán)方案中,，終端必須從不同的天線發(fā)送參考符號(hào)，由基站進(jìn)行信道質(zhì)量測(cè)量,，然后選擇信道質(zhì)量好的天線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,，參見(jiàn)圖5,。
圖5 閉環(huán)天線選擇方案
MIMO技術(shù)能夠大大提高頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無(wú)線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),。作為MIMO技術(shù)的發(fā)明者,，阿爾卡特朗訊首先提出將MIMO技術(shù)加入3GPP標(biāo)準(zhǔn)，并積極推動(dòng)MIMO技術(shù)在HSPA+的應(yīng)用,。我們相信,，MIMO技術(shù)必將在未來(lái)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)重要的位置。