3G4G應用中MIMO技術的實現(xiàn)挑戰(zhàn)與解決方案
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表1：適用于3G標準的3G MIMO技術的演進歷程。
表2是3GPP LTE標準TR 25.913的概述，它顯示了在固定64QAM調制深度時，單路輸入單路輸出(SISO)和MIMO天線配置中的性能。這些數(shù)字表示在理想的無線條件下(具有信令開銷補償)，頻分雙工(FDD)空中接口的物理限制。
表2：3G MIMO應用(64QAM)的數(shù)據(jù)速率性能。
在無線通信系統(tǒng)中，在發(fā)射機和/或接收機上使用多個天線開辟了一個新的維度空間。如果能夠正確利用這一技術，可以極大地提高性能，它現(xiàn)在被廣泛地稱為MIMO系統(tǒng)。這里的輸入和輸出指的是無線信道。發(fā)射機的多個天線意味著有多個信號輸入到無線信道中，接收機的多個天線是指有多個信號從無線信道輸出。圖1是對SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)的簡單演示。通過本圖，您可以很容易理解對于發(fā)射機天線(T)和接收機天線(R)的MIMO系統(tǒng)來說，如果每個發(fā)射接收天線對之間的信道獨立進行衰落，則信道分集階數(shù)為T×R。
圖1：SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)之間的關系。
不同的MIMO應用
在一個密集的多徑散射環(huán)境中，MIMO系統(tǒng)可充分利用通過空間分隔的天線獲得空間分集。MIMO系統(tǒng)能夠通過許多不同方法來實施，以獲得抵抗信號衰落的分集增益或者容量增益。通常，MIMO技術具有三種類型。第一類旨在通過最大化空間分集提高功率效率。此類技術包括延遲分集、空時分組編碼(STBC)和空時網(wǎng)格碼(STTC)。第二類利用豐富的散射環(huán)境中的空間復用，通過天線傳輸相互獨立的數(shù)據(jù)信號，以提高數(shù)據(jù)速率，但通常不能夠達到完整的空間分集。第三類利用的是發(fā)射機的信道信息，又稱為波束賦形。它利用信道信息建立波束賦形矩陣，作為發(fā)射機和接收機的前置濾波器和后置濾波器的，以實現(xiàn)容量增益。
空間分集
無線信道中信號功率的波動非?？焖?。信號功率顯著下降時，信道處于衰落狀態(tài)。分集用于在無線信道中抵抗衰落。接收天線分集可在SIMO通道中使用。接收天線接收同一信號獨立的衰落狀態(tài)，并與這些信號相結合，使得合成信號的幅度變化小于任一天線的信號。通常使用獨立衰落信道數(shù)來描述分集的特征，這一數(shù)目也稱為分集階數(shù)，并且如果同一發(fā)射天線針對所有接收天線的信道具有獨立的衰落特性，則分集與SIMO信道中接收天線的數(shù)量相等。發(fā)射分集適用于MISO信道并且已經成為備受關注的研究領域。提取分集需要適當?shù)脑O計發(fā)射信號。在接收機上使用合適的組合方案，以獲得分集增益。如果所有發(fā)射天線到同一接收天線的信道具有獨立的衰落特性，則該信道的分集與發(fā)射天線的數(shù)量相等。
圖2：(a) Alamouti空時編碼發(fā)射機結構；(b) 空間復用發(fā)射機結構；(c) 波束賦形發(fā)射機結構。
圖2給出了一個簡單的發(fā)射機分集方案實例，也稱為Alamouti空時編碼。在指定的符碼周期，兩個天線同時發(fā)出兩個信號。在符碼周期t1，分別從天線0和天線1發(fā)送信號s0和s1，在下一個符碼周期t2內，天線0發(fā)送信號-s1*，天線1發(fā)送信號s0*，其中()*是復共軛運算。這一序列如圖2所示。編碼是在空時編碼中完成的，也可在空頻編碼中完成?？墒褂脙蓚€相鄰的載波(空頻編碼)來替代兩個相鄰的符碼周期。使用MIMO信道的分集需要將上述發(fā)射和接收分集相結合。如果每個發(fā)射接收天線對之間的信道獨立衰落，則分集順序與發(fā)射和接收天線的數(shù)量相等。
空間復用
空間復用可以為相同帶寬的信號提供線性增長的傳輸速率，而且不會造成額外的功率損耗。
圖2(a)給出了含有兩個發(fā)射天線的簡單的空間復用系統(tǒng)，這一概念可擴展到更普遍的MIMO系統(tǒng)中。發(fā)射的比特流被去復用到兩個具有一半速率的子比特流中，由每個發(fā)射天線同時進行調制和發(fā)射。例如在圖2(a)中，在符碼周期t1內，天線0發(fā)射符號s0，從天線1發(fā)射符號s1。在符碼周期t2內，天線0發(fā)射符號s2，天線1發(fā)射符號s3。因此，發(fā)射速率是SISO系統(tǒng)的兩倍。在最佳的信道條件下，接收機端接收到的信號的空間特性,可以被很好的分離。接收機根據(jù)信道信息可以對兩個同信道信號進行區(qū)別和提取。進行解調之后，子比特流能夠相互結合產生原始比特流。所以，空間復用所能提高的傳輸速率與發(fā)射接收天線對的數(shù)量成正比?？臻g復用還可用于多用戶格式，也就是空分多址或SDMA。假設兩個用戶發(fā)射獨立的信號，這兩個信號均到達一個配有兩個天線的基站。該基站可以分離這兩個信號，以支持兩個用戶同時使用信道。這使容量能夠根據(jù)基站的天線數(shù)量和用戶數(shù)量成比例的增加。
波束賦形
在空間分集和空間復用中，通常認為發(fā)射機不了解信道信息。當發(fā)射機具備信道信息時，可改善系統(tǒng)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著發(fā)射機已知信道矩陣。部分信息可能指的是瞬時信道的某些參數(shù)(例如矩陣信道的條件數(shù))或統(tǒng)計特性(例如發(fā)射或接收的相關特性)。圖2(b)顯示了使用信道信息的預編碼框架。發(fā)射信號(S0，S1)與預編碼相乘，這可以解釋為波束賦形。經過預編碼之后，兩個分離的數(shù)據(jù)流可從兩個發(fā)射天線同時發(fā)送，作為空間復用，但是矩陣編碼器將根據(jù)信道信息發(fā)生變化。假設發(fā)射機已經知道發(fā)射相關矩陣，則可以使用相關矩陣的特征矩陣建立預編碼矩陣，以優(yōu)化遍歷容量。將2×2預編碼矩陣表示為W，則符碼周期t1內的發(fā)射符碼為：
同樣，可以使用預編碼矩陣表示發(fā)射符碼×2和×3。在這個預編碼方案中，傳輸速率與發(fā)射接收天線對的數(shù)量成正比。
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