MIMO

MIMO （多入多出技術(shù)）

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過(guò)多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。

中文名 多輸入多輸出系統(tǒng)

外文名 Multiple-Input Multiple-Output

簡(jiǎn) 稱(chēng) MIMO 應(yīng)用學(xué)科天線無(wú)線通信

標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 IEEE802.11n

目錄
1 原理
2 優(yōu)點(diǎn)
3 潛力
4 發(fā)展歷史
▪ MIMO
▪ 復(fù)合技術(shù)
5 MIMO技術(shù)
▪ D-BLAST
▪ V-BLAST
▪ T-BLAST
6 技術(shù)分類(lèi)
▪ 空分復(fù)用
▪ 空間分集
▪ 波束成型
▪ 預(yù)編碼
7 研究狀況
8 重大歷程
9 MIMO應(yīng)用
10 MIMO技術(shù)的應(yīng)用
▪ 下行傳輸
▪ 上行傳輸
11 自適應(yīng)MIMO
12 天線配置

MIMO技術(shù)最早是由馬可尼于1908年提出的，它利用發(fā)射端的多個(gè)天線各自獨(dú)立發(fā)送信號(hào)，同時(shí)在接收端用多個(gè)天線接收并恢復(fù)原信息，就可以實(shí)現(xiàn)以更小的代價(jià)達(dá)到更高的用戶(hù)速率。

原理

多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過(guò)多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。
圖1 MIMO系統(tǒng)的一個(gè)原理框圖

圖1是MIMO系統(tǒng)的一個(gè)原理框圖。發(fā)射端通過(guò)空時(shí)映射將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)映射到多根天線上發(fā)送出去，接收端將各根天線接收到的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)譯碼從而恢復(fù)出發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。根據(jù)空時(shí)映射方法的不同，MIMO技術(shù)大致可以分為兩類(lèi)：空間分集和空間復(fù)用。空間分集是指利用多根發(fā)送天線將具有相同信息的信號(hào)通過(guò)不同的路徑發(fā)送出去，同時(shí)在接收機(jī)端獲得同一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的多個(gè)獨(dú)立衰落的信號(hào)，從而獲得分集提高的接收可靠性。舉例來(lái)說(shuō)，在慢瑞利衰落信道中，使用一根發(fā)射天線n 根接收天線，發(fā)送信號(hào)通過(guò)n 個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為n 。對(duì)于發(fā)射分集技術(shù)來(lái)說(shuō)，同樣是利用多條路徑的增益來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天線n 根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對(duì)之間的路徑增益是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。目前在MIMO系統(tǒng)中常用的空間分集技術(shù)主要有空時(shí)分組碼（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技術(shù)。STBC是基于發(fā)送分集的一種重要編碼形式，其中最基本的是針對(duì)二天線設(shè)計(jì)的Alamouti方案，具體編碼過(guò)程如圖2所示。

圖2　Alamouti 編碼過(guò)程示意

可以發(fā)現(xiàn)STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天線上面要傳輸?shù)男盘?hào)矢量相互正交，如圖2-19中x 1和x 2的內(nèi)積為0，這時(shí)接收端就可以利用發(fā)送端信號(hào)矢量的正交性恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。使用STBC技術(shù)，能夠達(dá)到滿(mǎn)分集的效果，即在具有M根發(fā)射天線N 根接收天線的系統(tǒng)中采用STBC技術(shù)時(shí)最大分集增益為MN。波束成形技術(shù)是通過(guò)不同的發(fā)射天線來(lái)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶(hù)的賦形波束，從而有效提高天線增益。為了能夠最大化指向用戶(hù)的波束的信號(hào)強(qiáng)度，通常波束成形技術(shù)需要計(jì)算各個(gè)發(fā)射天線上發(fā)送數(shù)據(jù)的相位和功率，也稱(chēng)之威波束成形矢量。常見(jiàn)的波束成形矢量計(jì)算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根發(fā)射天線采用波束成形技術(shù)可以獲得的最大發(fā)送分集增益為M?？臻g復(fù)用技術(shù)是將要傳送的數(shù)據(jù)可以分成幾個(gè)數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進(jìn)行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。常用的空間復(fù)用方法是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的垂直分層空時(shí)碼，即V-BLAST技術(shù)，如圖3所示。

圖3　V-BLAST 系統(tǒng)發(fā)送示意

 

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系統(tǒng)是一項(xiàng)運(yùn)用于802.11n的核心技術(shù)。
802.11n是IEEE繼802.11b\a\g后全新的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，速度可達(dá)600Mbps。同時(shí)，專(zhuān)有MIMO技術(shù)可改進(jìn)已有802.11a/b/g網(wǎng)絡(luò)的性能。該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來(lái)抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。
優(yōu)點(diǎn)編輯
無(wú)線電發(fā)送的信號(hào)被反射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多份信號(hào)。每份信號(hào)都是一個(gè)空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個(gè)空間流。MIMO允許多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來(lái)自不同空間方位的信號(hào)。MIMO 技術(shù)的應(yīng)用，使空間成為一種可以用于提高性能的資源，并能夠增加無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋范圍。
提高信道的容量
MIMO接入點(diǎn)到MIMO客戶(hù)端之間，可以同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流，信道容量可以隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高無(wú)線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。
提高信道的可靠性
利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益及空間分集增益，可以利用多天線來(lái)抑制信道衰落。多天線系統(tǒng)的應(yīng)用，使得并行數(shù)據(jù)流可以同時(shí)傳送，可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。
潛力編輯
通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對(duì)多徑無(wú)線信道來(lái)說(shuō)的。傳輸信息流s(k)經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci(k)，I=1，……，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開(kāi)并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。
特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。
MIMO將多徑無(wú)線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。
系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對(duì)于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
其中B為信號(hào)帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時(shí)，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量?jī)H隨天線數(shù)的對(duì)數(shù)增加而增加。相對(duì)而言，多入多出對(duì)于提高無(wú)線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。
理論容量與天線數(shù)關(guān)系：

圖4-4

（1）圖4-4所示的四條信道容量曲線的發(fā)射天線數(shù)量 都為4，以接收天線數(shù)量 為橫軸，信噪比依次為0dB、5dB、10dB、15dB。從這四條不同的曲線我們可以得出結(jié)論：
1．發(fā)射天線數(shù)量一定，信噪比不變時(shí)信道容量隨著接收天線數(shù)的增多而增大，且增大的幅度越來(lái)越小。
2．發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量均相同，信道容量隨信噪比的增大而增大。
（2）圖4-5所示的四條信道容量曲線的接收天線數(shù)量 都為4，以發(fā)射天線數(shù)量 為橫軸，信噪比分別為0dB、5dB、10dB、15dB。從這四條不同的曲線我們可以得出結(jié)論：
1．接收天線數(shù)量一定，信噪比不變時(shí)信道容量隨著發(fā)射天線數(shù)的增多而增大，增大的幅度會(huì)越來(lái)越小。
2．當(dāng)發(fā)射天線數(shù)大于接收天線數(shù)時(shí)，信道容量增大的幅度會(huì)大幅度減緩，當(dāng) >10以后，信道容量基本上就沒(méi)有多大變化。
由上述結(jié)論我們可以看到信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說(shuō)可以在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下利用MIMO信道成倍地提高無(wú)線信道容量，證明了MIMO信道系統(tǒng)理論的正確性。

發(fā)展歷史

MIMO

實(shí)際上多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)由來(lái)已久，早在1908年馬可尼就提出用它來(lái)抗衰落。在20世紀(jì)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)的奠基工作則是上世紀(jì)90年代由AT&TBell實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者完成的。
1990年代，全世界無(wú)線通信領(lǐng)域均針對(duì)多天線系統(tǒng)進(jìn)行研究，希望創(chuàng)作出能指向接收者之波束成型技術(shù)，亦即是所謂智慧型天線 —— 一種能使波束聰明地追蹤接收者（即移動(dòng)電話）的技術(shù)，如同有個(gè)人持著天線到處移動(dòng)，就像一道自手電筒射出的光束可追蹤一位在黑暗中移動(dòng)的人一樣。智慧型天線借由波束對(duì)其指向（亦即對(duì)目標(biāo)接收者）的相長(zhǎng)干涉（constructive interference）及同時(shí)間該波束對(duì)目標(biāo)接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference）來(lái)增加信號(hào)增益，以實(shí)現(xiàn)上述智慧型天線的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)于此發(fā)送單位上的多天線間，采用一較窄的天線間距來(lái)實(shí)現(xiàn)此波束。一般以發(fā)送信號(hào)之一半波長(zhǎng)作為實(shí)體的天線間距，以滿(mǎn)足空間上的采樣定理且避免旁瓣輻射（grating lobes），亦即空間上的混疊。
波束成型技術(shù)的缺點(diǎn)乃是在都市的環(huán)境中，信號(hào)容易朝向建筑物或移動(dòng)的車(chē)輛等目標(biāo)分散，因而模糊其波束的集中特性（即相長(zhǎng)干涉），喪失多數(shù)的信號(hào)增益及減少干擾的特性。然而此項(xiàng)缺點(diǎn)卻隨著空間分集及空間多工的技術(shù)在 1990 年代末的發(fā)展，而突然轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)。這些方法利用多徑（multipath propagation）現(xiàn)象來(lái)增加數(shù)據(jù)吞吐量、傳送距離，或減少比特錯(cuò)誤率。這些型態(tài)的系統(tǒng)在選擇實(shí)體的天線間距時(shí)，通常以大于被發(fā)送信號(hào)的波長(zhǎng)的距離為實(shí)作，以確保 MIMO 頻道間的低關(guān)聯(lián)性及高分集階數(shù)（diversity order）。
復(fù)合技術(shù)

MIMO 此科技與平坦衰落信道（flat fading channels）兼用時(shí)最佳，以降低接收端信道均衡器之復(fù)雜度及維持接收端的低功率耗損，也因此 MIMO 多半與 OFDM 結(jié)合為復(fù)合技術(shù)。MIMO-OFDM同時(shí)為IEEE 802.16及 IEEE 802.11n HT（High-Throughput）的采用標(biāo)準(zhǔn)之一。WCDMA 的系統(tǒng)，如 HSDPA，亦進(jìn)行將 MIMO 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)作。

MIMO技術(shù)

所謂的MIMO，就字面上看到的意思，是Multiple Input Multiple Output（多入多出）的縮寫(xiě)，大部分您所看到的說(shuō)法，都是指無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訊號(hào)通過(guò)多重天線進(jìn)行同步收發(fā)，所以可以增加資料傳輸率。
然而比較正確的解釋?zhuān)瑧?yīng)該是說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)資料通過(guò)多重切割之后，經(jīng)過(guò)多重天線進(jìn)行同步傳送，由于無(wú)線訊號(hào)在傳送的過(guò)程當(dāng)中，為了避免發(fā)生干擾起見(jiàn)，會(huì)走不同的反射或穿透路徑，因此到達(dá)接收端的時(shí)間會(huì)不一致。為了避免資料不一致而無(wú)法重新組合，因此接收端會(huì)同時(shí)具備多重天線接收，然后利用DSP重新計(jì)算的方式，根據(jù)時(shí)間差的因素，將分開(kāi)的資料重新作組合，然后傳送出正確且快速的資料流。
由于傳送的資料經(jīng)過(guò)分割傳送，不僅單一資料流量降低，可拉高傳送距離，又增加天線接收范圍，因此MIMO技術(shù)不僅可以增加既有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜的資料傳輸速度，而且又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是，還能增加訊號(hào)接收距離。所以不少?gòu)?qiáng)調(diào)資料傳輸速度與傳輸距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，紛紛開(kāi)始拋開(kāi)對(duì)既有Wi-Fi聯(lián)盟的兼容性要求，而采用MIMO的技術(shù)，推出高傳輸率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。
MIMO技術(shù)大致可以分為兩類(lèi)：發(fā)射/接收分集和空間復(fù)用。傳統(tǒng)的多天線被用來(lái)增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號(hào)通過(guò)不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機(jī)端可以獲得數(shù)據(jù)符號(hào)多個(gè)獨(dú)立衰落的復(fù)制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來(lái)說(shuō)，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線n根接收天線，發(fā)送信號(hào)通過(guò)n個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差概率可以減小到 ，單天線衰落信道的平均誤差概率為 。對(duì)于發(fā)射分集技術(shù)來(lái)說(shuō)，同樣是利用多條路徑的增益來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對(duì)之間的路徑增益是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。智能天線技術(shù)也是通過(guò)不同的發(fā)射天線來(lái)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶(hù)的賦形波束，從而有效的提高天線增益，降低用戶(hù)間的干擾。廣義上來(lái)說(shuō)，智能天線技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)。
分集技術(shù)主要用來(lái)對(duì)抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來(lái)增加通信中的自由度(degrees of freedom)。從本質(zhì)上來(lái)講，如果每對(duì)發(fā)送接收天線之間的衰落是獨(dú)立的，那么可以產(chǎn)生多個(gè)并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流，可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率，這被稱(chēng)為空間復(fù)用。需要特別指出的是在高SNR的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時(shí)對(duì)于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對(duì)之間是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落的。
根據(jù)子數(shù)據(jù)流與天線之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，空間多路復(fù)用系統(tǒng)大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

D-BLAST

D-BLAST最先由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Gerard J. Foschini提出。原始數(shù)據(jù)被分為若干子流，每個(gè)子流之間分別進(jìn)行編碼，但子流之間不共享信息比特，每一個(gè)子流與一根天線相對(duì)應(yīng)，但是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變，如圖1.b所示，它的每一層在時(shí)間與空間上均呈對(duì)角線形狀，稱(chēng)為D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好處是，使得所有層的數(shù)據(jù)可以通過(guò)不同的路徑發(fā)送到接收機(jī)端，提高了鏈路的可靠性。其主要缺點(diǎn)是，由于符號(hào)在空間與時(shí)間上呈對(duì)角線形狀，使得一部分空時(shí)單元被浪費(fèi)，或者增加了傳輸數(shù)據(jù)的冗余。如圖1.b所示，在數(shù)據(jù)發(fā)送開(kāi)始時(shí)，有一部分空時(shí)單元未被填入符號(hào)(對(duì)應(yīng)圖中右下角空白部分)，為了保證D-BLAST的空時(shí)結(jié)構(gòu)，在發(fā)送結(jié)束肯定也有一部分空時(shí)單元被浪費(fèi)。如果采用burst模式的數(shù)字通信，并且一個(gè)burst的長(zhǎng)度大于M(發(fā)送天線數(shù)目)個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔 ，那么burst的長(zhǎng)度越小，這種浪費(fèi)越嚴(yán)重。它的數(shù)據(jù)檢測(cè)需要一層一層的進(jìn)行，如圖1.b所示：先檢測(cè)c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接著b0、b1和b2……
 

V-BLAST

另外一種簡(jiǎn)化了的BLAST結(jié)構(gòu)同樣最先由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出。它采用一種直接的天線與層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即編碼后的第k個(gè)子流直接送到第k根天線，不進(jìn)行數(shù)據(jù)流與天線之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的周期改變。如圖1.c所示，它的數(shù)據(jù)流在時(shí)間與空間上為連續(xù)的垂直列向量，稱(chēng)為V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中數(shù)據(jù)子流與天線之間只是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在檢測(cè)過(guò)程中，只要知道數(shù)據(jù)來(lái)自哪根天線即可以判斷其是哪一層的數(shù)據(jù)，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單。
（圖1）

T-BLAST

考慮到D-BLAST以及V-BALST模式的優(yōu)缺點(diǎn)，一種不同于D-DBLAST與V-BLAST的空時(shí)編碼結(jié)構(gòu)被提出：T-BLAST。等文獻(xiàn)分別提及這種結(jié)構(gòu)。它的層在空間與時(shí)間上呈螺紋(Threaded)狀分布，如圖2所示。

原始數(shù)據(jù)流被多路分解為若干子流之后，每個(gè)子流被對(duì)應(yīng)的天線發(fā)送出去，并且這種對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變，與D-BLAST系統(tǒng)不同的是，在發(fā)送的初始階段并不是只有一根天線進(jìn)行發(fā)送，而是所有天線均進(jìn)行發(fā)送，使得單從一個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔 來(lái)看，它的空時(shí)分布很像V-BALST，只不過(guò)在不同的時(shí)間間隔中，子數(shù)據(jù)流與天線的對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變。更普通的T-BLAST結(jié)構(gòu)是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系不是周期性改變，而是隨機(jī)改變。這樣T-BLAST不僅可以使得所有子流共享空間信道，而且沒(méi)有空時(shí)單元的浪費(fèi)，并且可以使用V-BLAST檢測(cè)算法進(jìn)行檢測(cè)。

技術(shù)分類(lèi)

空分復(fù)用

（spatial multiplexing）工作在MIMO天線配置下，能夠在不增加帶寬的條件下，相比SISO系統(tǒng)成倍地提升信息傳輸速率，從而極大地提高了頻譜利用率。在發(fā)射端，高速率的數(shù)據(jù)流被分割為多個(gè)較低速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同的發(fā)射天線上在相同頻段上發(fā)射出去。如果發(fā)射端與接收端的天線陣列之間構(gòu)成的空域子信道足夠不同，即能夠在時(shí)域和頻域之外額外提供空域的維度，使得在不同發(fā)射天線上傳送的信號(hào)之間能夠相互區(qū)別，因此接收機(jī)能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不需付出額外的頻率或者時(shí)間資源?？臻g復(fù)用技術(shù)在高信噪比條件下能夠極大提高信道容量，并且能夠在“開(kāi)環(huán)”，即發(fā)射端無(wú)法獲得信道信息的條件下使用。Foschini等人提出的“貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)”（BLAST）是典型的空間復(fù)用技術(shù)。
 

空間分集（spatial diversity）：利用發(fā)射或接收端的多根天線所提供的多重傳輸途徑發(fā)送相同的資料，以增強(qiáng)資料的傳輸品質(zhì)。
波束成型（beamforming）：借由多根天線產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將能量集中在欲傳輸?shù)姆较颍黾有盘?hào)品質(zhì)，并減少與其他用戶(hù)間的干擾。
預(yù)編碼（precoding）：預(yù)編碼主要是通過(guò)改造信道的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的提升。
以上 MIMO 相關(guān)技術(shù)并非相斥，而是可以相互配合應(yīng)用的，如一個(gè) MIMO 系統(tǒng)即可以包含空分復(fù)用和分集的技術(shù)。

研究狀況

在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面已有一批文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)涉及相當(dāng)廣泛的內(nèi)容。但是由于無(wú)線移動(dòng)通信MIMO信道是一個(gè)時(shí)變、非平穩(wěn)多入多出系統(tǒng)，尚有大量問(wèn)題需要研究。比如說(shuō)，各文獻(xiàn)大多假定信道為分段-恒定衰落信道。這對(duì)于寬帶信號(hào)的4G系統(tǒng)及室外快速移動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不夠的，因此必須采用復(fù)雜的模型進(jìn)行研究。已有不少文獻(xiàn)在進(jìn)行這方面的工作，即對(duì)信道為頻率選擇性衰落和移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)情況進(jìn)行研究。再有，在基本文獻(xiàn)中，均假定接收機(jī)精確已知多徑信道參數(shù)，為此，必須發(fā)送訓(xùn)練序列對(duì)接收機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練。但是若移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度過(guò)快，就使得訓(xùn)練時(shí)間太短，這樣快速信道估計(jì)或盲處理就成為重要的研究?jī)?nèi)容。
另外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步。實(shí)際系統(tǒng)研究的一個(gè)重要問(wèn)題是在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)多天線和多路接收，學(xué)者們正大力進(jìn)行這方面的研究。由于移動(dòng)終端設(shè)備要求體積小、重量輕、耗電小，因而還有大量工作要做。目前各大公司均在研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
Bell實(shí)驗(yàn)室的BLAST系統(tǒng)[4]是最早研制的MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9GHz，發(fā)射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。頻譜利用率達(dá)到了25.9bits/(Hz·s)。但該系統(tǒng)僅對(duì)窄帶信號(hào)和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了研究，對(duì)于在3G、4G應(yīng)用尚有相當(dāng)大距離。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)受到衰落。在上述具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，每一基臺(tái)各設(shè)置2副發(fā)送天線和3副接收天線，而每一用戶(hù)終端各設(shè)置1副發(fā)送天線和3副接收天線，即下行通路設(shè)置2×3天線、上行通路設(shè)置1×3天線。這樣與“單輸入/單輸出天線”SISO相比，傳輸上取得了10～20dB的好處，相應(yīng)地加大了系統(tǒng)容量。而且，基臺(tái)的兩副發(fā)送天線于必要時(shí)可以用來(lái)傳輸不同的數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶(hù)傳送的數(shù)據(jù)速率可以加倍。
朗訊科技的貝爾實(shí)驗(yàn)室分層的空時(shí)（BLAST）技術(shù)是移動(dòng)通信方面領(lǐng)先的MIMO應(yīng)用技術(shù)，是其智能天線的進(jìn)一步發(fā)展。BLAST技術(shù)就其原理而言，是利用每對(duì)發(fā)送和接收天線上信號(hào)特有的“空間標(biāo)識(shí)”，在接收端對(duì)其進(jìn)行“恢復(fù)”。利用BLAST技術(shù)，如同在原有頻段上建立了多個(gè)互不干擾、并行的子信道，并利用先進(jìn)的多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)準(zhǔn)確高效地傳送用戶(hù)數(shù)據(jù)，其結(jié)果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLAST技術(shù)證明，在天線發(fā)送和接收端同時(shí)采用多天線陣，更能夠充分利用多徑傳播，達(dá)到“變廢為寶”的效果，提高系統(tǒng)容量。理論研究業(yè)已證明，采用BLAST技術(shù)，系統(tǒng)頻譜效率可以隨天線個(gè)數(shù)成線性增長(zhǎng)，也就是說(shuō)，只要允許增加天線個(gè)數(shù)，系統(tǒng)容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術(shù)有著非常大的潛力。鑒于對(duì)于無(wú)線通信理論的突出貢獻(xiàn)，BLAST技術(shù)獲得了2002年度美國(guó)ThomasEdison（愛(ài)迪生）發(fā)明獎(jiǎng)。

重大歷程

2002年10月世界上第一顆BLAST芯片在朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，貝爾實(shí)驗(yàn)室研究小組設(shè)計(jì)小組宣布推出了業(yè)內(nèi)第一款結(jié)合了貝爾實(shí)驗(yàn)室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技術(shù)的芯片，這一芯片支持最高4×4的天線布局，可處理的最高數(shù)據(jù)速率達(dá)到19.2Mbps。該技術(shù)用于移動(dòng)通信，BLAST芯片使終端能夠在3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中接收每秒19.2兆比特的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在，朗訊科技已經(jīng)開(kāi)始將此BLAST芯片應(yīng)用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同時(shí)還計(jì)劃授權(quán)終端制造商使用該BLAST芯片，以提高無(wú)線3G數(shù)據(jù)終端支持高速數(shù)據(jù)接入的能力。
2003年8月AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi芯片組，并稱(chēng)其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技術(shù)的批量上市產(chǎn)品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術(shù)，將現(xiàn)在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同時(shí)保持與所有常用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。該產(chǎn)品集成兩片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一種可伸縮結(jié)構(gòu)，使制造商可以只使用一片RF芯片實(shí)現(xiàn)單天線系統(tǒng)，或增加其他RF芯片提升性能。該芯片支持所有的802.11 a、b和g模式，包含IEEE 802.11工作組推出最新標(biāo)準(zhǔn)(包括TGi安全和TGe質(zhì)量的服務(wù)功能)。
Airgo的芯片組和目前的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持802.11a, "b,"和"g"模式，使用三個(gè)5-GHz和三個(gè)2.4-GHz天線，使用Airgo芯片組的無(wú)線設(shè)備可以和以前的802.11設(shè)備通訊，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設(shè)備通訊的同時(shí)還可以以108Mbps的速度和Airgo的設(shè)備通訊。
 

MIMO應(yīng)用

無(wú)線寬帶移動(dòng)通信

為了提高系統(tǒng)容量，下一代的無(wú)線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)將會(huì)采用MIMO技術(shù)，即在基站端放置多個(gè)天線，在移動(dòng)臺(tái)也放置多個(gè)天線，基站和移動(dòng)臺(tái)之間形成MIMO通信鏈路。應(yīng)用MIMO技術(shù)的無(wú)線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是多個(gè)基站天線集中排列形成天線陣列，放置于覆蓋小區(qū)，這一類(lèi)可以稱(chēng)為集中式MIMO；另一類(lèi)是基站的多個(gè)天線分散放置在覆蓋小區(qū)，可以稱(chēng)為分布式MIMO。

傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

MIMO技術(shù)可以比較簡(jiǎn)單地直接應(yīng)用于傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，將基站的單天線換為多個(gè)天線構(gòu)成的天線陣列。基站通過(guò)天線陣列與小區(qū)內(nèi)的具有多個(gè)天線的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行MIMO通信。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度看，這樣的MIMO系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單入單出(SISO)蜂窩通信系統(tǒng)相比并沒(méi)有根本的區(qū)別。

和傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)相結(jié)合

傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗，能夠在小區(qū)內(nèi)形成良好的系統(tǒng)覆蓋，解決小區(qū)內(nèi)的通信死角，提高通信服務(wù)質(zhì)量。最近在MIMO技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)與MIMO技術(shù)相結(jié)合可以提高系統(tǒng)容量，這種新的分布式MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——分布式無(wú)線通信系統(tǒng)(DWCS)[8]成為MIMO技術(shù)的重要研究熱點(diǎn)。
在采用分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)中，分散在小區(qū)內(nèi)的多個(gè)天線通過(guò)光纖和基站處理器相連接。具有多天線的移動(dòng)臺(tái)和分散在附近的基站天線進(jìn)行通信，與基站建立了MIMO通信鏈路。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅具備了傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，減少了路徑損耗，克服了陰影效應(yīng)，同時(shí)還通過(guò)MIMO技術(shù)顯著提高了信道容量。與集中式MIMO相比，DWCS的基站天線之間距離較遠(yuǎn)，不同天線與移動(dòng)臺(tái)之間形成的信道衰落可以看作完全不相關(guān)，信道容量更大?？傮w上說(shuō)，分布式MIMO系統(tǒng)的信道容量更大，系統(tǒng)功耗更小，系統(tǒng)覆蓋性能更好，系統(tǒng)具有更好的擴(kuò)展性和靈活性。
分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)也帶來(lái)了一些新問(wèn)題。移動(dòng)臺(tái)和小區(qū)內(nèi)鄰近的天線建立的MIMO鏈路，由于基站不同天線的位置不同，它們距離移動(dòng)臺(tái)的距離不同，使得基站端的多個(gè)天線的信號(hào)到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的延時(shí)也不同，因此帶來(lái)新的研究問(wèn)題。目前在這方面研究較多的是進(jìn)行容量分析。除此之外的研究?jī)?nèi)容還包括：具體的同步技術(shù)、信道估計(jì)、天線選擇、發(fā)射方案、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)等，這些問(wèn)題有待深入研究。

無(wú)線通信領(lǐng)域
MIMO技術(shù)已經(jīng)成為無(wú)線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)近幾年的持續(xù)發(fā)展，MIMO技術(shù)將越來(lái)越多地應(yīng)用于各種無(wú)線通信系統(tǒng)。在無(wú)線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)方面，第3代移動(dòng)通信合作計(jì)劃(3GPP)已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中加入了MIMO技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，B3G和4G的系統(tǒng)中也將應(yīng)用MIMO技術(shù)。在無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標(biāo)準(zhǔn)也采用了MIMO技術(shù)。在其他無(wú)線通信系統(tǒng)研究中，如超寬帶(UWB)系統(tǒng)、感知無(wú)線電系統(tǒng)(CR)，都在考慮應(yīng)用MIMO技術(shù)。
隨著使用天線數(shù)目的增加，MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大幅度增高，從而限制了天線的使用數(shù)目，不能充分發(fā)揮MIMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。目前，如何在保證一定的系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低MIMO技術(shù)的算法復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，成為業(yè)界面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。
雷達(dá)領(lǐng)域
MIMO技術(shù)同樣也應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域，主要通過(guò)多個(gè)天線發(fā)射不同的正交波形，同時(shí)覆蓋較大空域，并利用長(zhǎng)時(shí)間相干積累來(lái)獲得較高的信噪比。[1]

MIMO技術(shù)的應(yīng)用

下行傳輸

LTER8/R9版本中下行引入了8種MIMO傳輸模式，其中LTEFDD常用的MIMO傳輸模式為模式1到模式6（TM1～TM6），而模式7（TM7）和模式8（TM8）主要應(yīng)用于TDLTE系統(tǒng)中，下面是不同傳輸模式的簡(jiǎn)要說(shuō)明。
–模式1：?jiǎn)翁炀€端口傳輸（端口0）。
–模式2：開(kāi)環(huán)發(fā)射分集。
–模式3：大延遲CDD空間復(fù)用與開(kāi)環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。
–模式4：閉環(huán)空間復(fù)用與開(kāi)環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。
–模式5：多用戶(hù)MIMO與開(kāi)環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。
–模式6：?jiǎn)螌娱]環(huán)空間復(fù)用與開(kāi)環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。
–模式7：?jiǎn)瘟鞑ㄊx形（端口5）與開(kāi)環(huán)發(fā)射分集或單天線端口傳輸（端口0）自適應(yīng)。
–模式8：雙流波束賦形（端口7和端口8）或單流波束賦形（端口7或端口8）與開(kāi)環(huán)發(fā)射分集或單天線端口傳輸（端口0）自適應(yīng)。
圖6所示是LTE系統(tǒng)中下行物理層處理過(guò)程，其中MIMO技術(shù)主要涉及到層映射和預(yù)編碼兩部分處理過(guò)程。層映射主要是根據(jù)傳輸?shù)拇a字（單碼字或雙碼字）和傳輸層數(shù)（取決于發(fā)射端天線數(shù)量），將數(shù)據(jù)流映射到不同的傳輸層。預(yù)編碼的主要目的是使傳輸?shù)男盘?hào)更好地匹配信道條件，以獲得更好的傳輸質(zhì)量。預(yù)編碼有基于碼本和非碼本兩種方式。LTEFDD主要使用基于碼本的預(yù)編碼方式，主要是因?yàn)長(zhǎng)TEFDD工作時(shí)上下行鏈路使用不同的頻率，當(dāng)有較大的雙工間隔時(shí)，不能夠直接使用反向信道的測(cè)量來(lái)估計(jì)正向信道的條件，所以主要依靠終端的反饋來(lái)輔助預(yù)編碼。而TDLTE因?yàn)榭梢允褂眯诺阑ヒ仔?，所以更容易?shí)現(xiàn)基于非碼本的預(yù)編碼工作方式。下面對(duì)不同的傳輸技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

圖6 LTE系統(tǒng)下行物理層的處理過(guò)程

1．開(kāi)環(huán)發(fā)射分集
當(dāng)終端處于無(wú)線信號(hào)質(zhì)量較差的場(chǎng)景或終端移動(dòng)速度較快時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握下行信道的質(zhì)量狀況較為困難，這時(shí)使用開(kāi)環(huán)發(fā)射分集技術(shù)可以有效對(duì)抗信道衰落，提高接收端的信噪比。
開(kāi)環(huán)發(fā)射分集工作方式采用單碼字傳輸，也就是將一路數(shù)據(jù)流同時(shí)映射到2層或者4層進(jìn)行傳輸，在接收端將多個(gè)發(fā)射天線的信號(hào)進(jìn)行合并處理獲得額外分集增益，具體的層映射過(guò)程參見(jiàn)下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。
在LTE系統(tǒng)中，下行鏈路使用OFDM技術(shù)，因此為了適應(yīng)頻域信號(hào)處理的要求而采用了SFTD（SpaceFrequencyTransmitDiversity，空頻發(fā)射分集）工作方式。SFTD基于SFBC（SpaceFrequencyBlockCoding，空頻塊編碼）技術(shù)。
對(duì)于Alamouti編碼，一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)發(fā)射天線數(shù)目大于2時(shí)，理論上證明不存在正交的可用于全速率傳輸?shù)木幋a方式，因此對(duì)于4天線開(kāi)環(huán)發(fā)射分集，采用了結(jié)合SFTD和FSTD（FrequencySwitchTransmitDiversity，頻率交換發(fā)射分集）的工作方式（如圖8所示），實(shí)際上是將4個(gè)天線分為兩組，分別為第一組天線（天線端口0、2）和第二組天線（天線端口1、3），每組天線內(nèi)采用SFTD工作方式，天線組間采用FSTD工作方式。采用這種在天線間交織的工作方式，主要原因是天線端口0、1的參考信號(hào)密度較大，天線端口2、3的參考信號(hào)密度較小，使用天線分組交織的工作方式可以保證兩組SFBC碼塊有較平衡的解碼性能。開(kāi)環(huán)發(fā)射分集預(yù)編碼過(guò)程具體方案可以參見(jiàn)下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

圖7 兩天線SFTD工作原理示意

圖8 四天線SFTD+FSTD工作原理示意

2．空間復(fù)用
當(dāng)終端處于無(wú)線信號(hào)質(zhì)量較好且存在豐富的多徑資源的場(chǎng)景時(shí)，則可以在MIMO系統(tǒng)的不同信道間共享高信噪比，為用戶(hù)提供并行傳輸多路數(shù)據(jù)的服務(wù)，有效提高單用戶(hù)的數(shù)據(jù)吞吐率和系統(tǒng)的吞吐量。假設(shè)MIMO系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)有NT個(gè)發(fā)射天線，接收機(jī)有NR個(gè)接收天線，根據(jù)多天線理論可以知道，接收端的信噪比與單天線傳輸相比最大可以提高NT×NR倍，因此在功率和帶寬不受限的條件下用戶(hù)的數(shù)據(jù)傳輸速率可以得到顯著提高。式（4）為單天線系統(tǒng)中的信道容量理論計(jì)算方法，當(dāng)信噪比提高NT×NR倍時(shí)，利用原有的傳輸帶寬，可以近似認(rèn)為信道容量提高log2(NT×NR)倍。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，MIMO信道數(shù)量可能會(huì)少于發(fā)射端或接收端最少天線數(shù)目，假設(shè)為M，M≤min{NT，NR}，則實(shí)際MIMO系統(tǒng)的信道容量可以參考式5的計(jì)算方法。3GPPR8/R9版本標(biāo)準(zhǔn)中制定了3種空間復(fù)用工作方式，分別是大延遲CCD空間復(fù)用、閉環(huán)空間復(fù)用和單層閉環(huán)空間復(fù)用。下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)單的介
 

　　
3．大延遲CDD空間復(fù)用
大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)是將CDD（CyclicDelayDiversity，循環(huán)延遲分集）技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用。CDD技術(shù)可以認(rèn)為是分集技術(shù)的一種，通過(guò)在不同的天線端口人為增加不同的時(shí)延，相當(dāng)于進(jìn)行了信道無(wú)關(guān)的頻率選擇性預(yù)編碼。這樣的預(yù)編碼可以使傳輸信號(hào)和實(shí)際信道匹配得較好，從而有效提高接收端信噪比，但也有可能使傳輸信號(hào)與信道矩陣失配而降低接收端信噪比，所以CDD技術(shù)的性能和時(shí)延的選擇有直接關(guān)系。LTE系統(tǒng)中采用支持較大延遲的CDD技術(shù)，保證在一定的傳輸帶寬內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的信噪比變化，使得各層的信號(hào)能夠有相近的信道質(zhì)量，如果終端側(cè)使用MMSE接收機(jī)就能夠獲得一定增益。CDD技術(shù)的工作原理如圖9所示。

圖9 兩天線CDD技術(shù)工作示意
大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)采用雙碼字傳輸，也就是兩路不同的數(shù)據(jù)流同時(shí)映射到2～4層進(jìn)行傳輸，高信噪比保證了使用多碼字時(shí)的傳輸質(zhì)量，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。具體層映射過(guò)程參見(jiàn)下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。
大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)的預(yù)編碼過(guò)程見(jiàn)式（6）。其中W是基于碼本的預(yù)編碼矩陣。因?yàn)榇笱舆tCDD空間復(fù)用是一種開(kāi)環(huán)空間復(fù)用，也就是終端反饋時(shí)可以反饋CQI（ChannelQualityIndicator，信道質(zhì)量指示）和RI（RankIndicator，秩指示）信息，但不反饋PMI（PrecodingMatrixIndicator，預(yù)編碼矩陣指示）信息，因此預(yù)編碼矩陣W是由網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行選擇的。D是延時(shí)矩陣，U是單位矩陣，通過(guò)D和U矩陣可以實(shí)現(xiàn)不同層信號(hào)間的均衡。W、D和U矩陣的具體取值參考下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

公式6
4．閉環(huán)空間復(fù)用
閉環(huán)空間復(fù)用可以采用單碼字或雙碼字傳輸。單碼字傳輸對(duì)應(yīng)模式6，也就是單層閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)。雙碼字傳輸對(duì)應(yīng)模式4，也就是常說(shuō)的閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)。對(duì)于單層閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)，一路數(shù)據(jù)流映射到一層傳輸，對(duì)應(yīng)于RI=1的情況，這時(shí)工作原理類(lèi)似于基于小區(qū)公共參考信號(hào)的波束賦形，可以有效提高小區(qū)的覆蓋能力。對(duì)于雙層閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)，兩路不同的數(shù)據(jù)流同時(shí)可以映射到2～4層，用于信噪比條件較好且終端移動(dòng)速度較低的場(chǎng)景，可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率。具體層映射過(guò)程參見(jiàn)下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。
閉環(huán)空間復(fù)用和開(kāi)環(huán)空間復(fù)用的主要區(qū)別是閉環(huán)空間復(fù)用需要終端反饋PMI信息，PMI信息的內(nèi)容是終端從給定的預(yù)編碼矩陣中選擇的一個(gè)合適的W矩陣。網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)終端反饋的PMI信息選擇合適的預(yù)編碼矩陣W（可以與終端反饋的不同），這樣可以提高預(yù)編碼的準(zhǔn)確程度，帶來(lái)一定的增益。但是在終端移動(dòng)速度較快時(shí)，反饋的延時(shí)可能造成反饋的信息相對(duì)滯后，反而會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的性能。閉環(huán)空間復(fù)用的預(yù)編碼過(guò)程見(jiàn)式7，具體的W矩陣取值參見(jiàn)下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

公式7
5．多用戶(hù)MIMO
空間復(fù)用技術(shù)的另一種應(yīng)用方式就是在小區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶(hù)間實(shí)現(xiàn)高信噪比的共享，也就是所謂的MU-MIMO（Multi-UserMIMO，多用戶(hù)MIMO）技術(shù)。MU-MIMO的工作原理是網(wǎng)絡(luò)側(cè)使用相同的時(shí)頻資源同時(shí)向不同的用戶(hù)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)空間來(lái)分隔這些用戶(hù)，也就是類(lèi)似于SDMA（SpatialDivisionMultipleAccess，空分多址）接入技術(shù)。如圖8所示，左側(cè)是單用戶(hù)MIMO工作方式，兩路數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送給某一個(gè)用戶(hù)，顯著提高該用戶(hù)的峰值吞吐量；右側(cè)是MU-MIMO工作方式，兩路數(shù)據(jù)分別發(fā)送給不同的用戶(hù)，有助于提高小區(qū)平均吞吐量。處于MU-MIMO工作方式的用戶(hù)間信道有較大的相關(guān)性，因此需要保證配對(duì)用戶(hù)間有較好的空間隔離度，需要通過(guò)較窄的傳輸波束對(duì)準(zhǔn)不同的終端來(lái)降低對(duì)其他用戶(hù)的干擾。因?yàn)檫@時(shí)信道間的相關(guān)性很強(qiáng)，也可以認(rèn)為是RI=1波束賦形。對(duì)于MU-MIMO技術(shù)，最關(guān)鍵的是如何找到合適的配對(duì)終端，這些終端間需要有非常好的空間隔離性，以及同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，這不僅對(duì)基站側(cè)的調(diào)度器提出了很高的要求，同時(shí)也需要小區(qū)內(nèi)有較多的用戶(hù)時(shí)才可能滿(mǎn)足MU-MIMO工作方式的場(chǎng)景。
3GPPR8/R9版本標(biāo)準(zhǔn)中定義的模式5工作方式是一種基于小區(qū)參考信號(hào)的MU-MIMO工作方式，同時(shí)基于碼本傳輸，具體的預(yù)編碼過(guò)程、碼本選擇和閉環(huán)空間復(fù)用過(guò)程一致，每個(gè)配對(duì)用戶(hù)占用一層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，總共可以同時(shí)傳輸兩層數(shù)據(jù)，也就是有兩個(gè)配對(duì)用戶(hù)。

圖10 多用戶(hù)MIMO工作示意
6．波束賦形
波束賦形是TD-LTE系統(tǒng)中常用的多天線傳輸方式，需要基站配置天線陣元間距較小的陣列天線。波束賦形的操作和線性預(yù)編碼過(guò)程非常相似，但工作原理有一定區(qū)別，波束賦形主要依靠信道間的強(qiáng)相關(guān)性以及電磁波的干涉原理，在天線陣列發(fā)射端的不同天線陣子處合理控制發(fā)射信號(hào)的幅度和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)具有特定輻射方向的發(fā)射波形，這樣有助于提高覆蓋范圍和特定用戶(hù)的信噪比，同時(shí)也可以減小對(duì)其他用戶(hù)的干擾。
3GPPR8/R9版本標(biāo)準(zhǔn)中定義的模式7和模式8分別對(duì)應(yīng)單層波束賦形和雙層波束賦形操作。波束賦形操作不需要終端進(jìn)行特別的反饋，系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)終端的上行鏈路進(jìn)行測(cè)量來(lái)確定下行鏈路發(fā)射信號(hào)的波束賦形參數(shù)，但是需要發(fā)射特定的基于終端信息的專(zhuān)用導(dǎo)頻信號(hào)，使用專(zhuān)用導(dǎo)頻信號(hào)可以減少公共導(dǎo)頻信號(hào)的占用，保證在更多天線數(shù)目（如大于4個(gè)）情況下能夠使用波束賦形技術(shù)。
 

上行傳輸

對(duì)于R8/R9的LTE終端，主要配置為雙天線，但是采用單發(fā)雙收的工作模式。上行鏈路MIMO的工作方式主要包括以下幾種：
–單天線傳輸：采用上行單天線傳輸方式，使用固定天線發(fā)送（端口0）。
–開(kāi)環(huán)發(fā)送天線選擇分集：采用上行單天線傳輸方式，終端選擇天線進(jìn)行上行傳輸。
–閉環(huán)發(fā)送天線選擇分集：網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過(guò)下行物理控制信道上承載的下行控制信息通知終端采用特定天線進(jìn)行上行傳輸。
–上行MU-MIMO：網(wǎng)絡(luò)側(cè)能夠根據(jù)信道條件變化自適應(yīng)地選擇多個(gè)終端共享相同的時(shí)頻資源進(jìn)行上行傳輸。
在3GPPR8/R9版本中，上行未使用空間復(fù)用技術(shù)，主要是考慮到射頻實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、MIMO信道非相關(guān)性實(shí)現(xiàn)較難、天線數(shù)量越多終端耗電越大、與其他無(wú)線通信系統(tǒng)（如GPS，藍(lán)牙等）的干擾問(wèn)題嚴(yán)重等因素。以射頻實(shí)現(xiàn)為例，若要保證終端上行可以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用技術(shù)，一般情況下要求天線間至少要保證半個(gè)波長(zhǎng)的空間隔離。假如此時(shí)上行傳輸使用2.6GHz的載波，空間隔離約為5cm，同市面的手持終端尺寸可比擬，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)；但是當(dāng)載波低到1GHz以下，如700MHz時(shí)，半波長(zhǎng)超過(guò)10cm，大于目前市面銷(xiāo)售的一般手持終端的尺寸，所以對(duì)于1GHz以下的頻率，實(shí)現(xiàn)手持終端的上行MIMO工作方式難度相對(duì)較大。
1．天線選擇傳輸
采用單天線傳輸時(shí)，只能使用固定天線，但在實(shí)際情況下兩個(gè)天線上傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量不完全相同，如果能夠選擇傳輸信號(hào)質(zhì)量較好的天線，則可能獲得一定的天線分集增益。目前天線選擇有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種方式，具體使用哪種方式由網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置。
–當(dāng)終端不具備天線選擇功能或網(wǎng)絡(luò)側(cè)未配置使用天線選擇功能時(shí)，則終端使用單天線傳輸方式。
–當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置終端使用開(kāi)環(huán)天線選擇工作方式時(shí)，具體使用哪個(gè)天線傳輸由終端來(lái)決定。LTEFDD系統(tǒng)中一種可行的實(shí)現(xiàn)方式是終端交替使用不同的天線進(jìn)行傳輸，以獲得一定的天線分集增益；而TDLTE系統(tǒng)可以利用信道互易性獲得上行信道質(zhì)量的信息進(jìn)而選擇合適的天線進(jìn)行傳輸。
–當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置終端使用閉環(huán)天線選擇工作方式時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制終端使用哪個(gè)天線進(jìn)行傳輸，終端按照網(wǎng)絡(luò)側(cè)最近下發(fā)的DCIFormat0信息獲知具體的發(fā)射天線端口，具體過(guò)程見(jiàn)表1，通過(guò)特定的天線選擇掩碼對(duì)DCIFormat0信息后面增加的CRC校驗(yàn)比特進(jìn)行加擾。
表1 終端發(fā)射天線選擇掩碼
終端發(fā)射天線選擇
天線選擇掩碼（xAS,0，xAS,1，…，xAS,15）
終端天線端口0
<0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0>
終端天線端口1
<0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1>
2．多用戶(hù)MIMO
R8/R9LTE終端在上行只支持單發(fā)雙收工作方式，不可能實(shí)現(xiàn)上行單用戶(hù)MIMO，因此在上行鏈路傳輸中，一種特殊的被稱(chēng)為虛擬MIMO的技術(shù)得到應(yīng)用。當(dāng)終端1與eNodeB間的空間信道和終端2與eNodeB間的空間信道不相關(guān)時(shí)，基站調(diào)度器可以為兩個(gè)終端分配相同的時(shí)頻資源，同時(shí)進(jìn)行上行傳輸，也就是上行MU-MIMO。當(dāng)小區(qū)有較多用戶(hù)（例如有較多的VoIP用戶(hù)）且基站有較多的接收天線時(shí)，上行MU-MIMO更容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以提高小區(qū)的平均吞吐量。工作于上行MU-MIMO工作模式下的終端采用相互正交的參考信號(hào)圖案，以簡(jiǎn)化基站的處理難度。從終端的角度看，上行MU-MIMO與單天線傳輸?shù)牟煌帲瑑H僅在于參考信號(hào)圖案的使用必須與其他終端配對(duì)。但從基站的角度看，確實(shí)是一個(gè)2×2的MIMO系統(tǒng)，接收機(jī)可以對(duì)這兩個(gè)終端發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)。由于MU-MIMO的終端間使用相同的時(shí)間和頻率資源，且空間信道之間很難完全不相關(guān)，所以可能會(huì)帶來(lái)一定程度的用戶(hù)間干擾，基站使用MMSE接收機(jī)可以有效減小這種干擾的影響。

自適應(yīng)MIMO
在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，MIMO系統(tǒng)可以有不同的解決和實(shí)現(xiàn)方案?；菊{(diào)度器可以實(shí)時(shí)決定終端或網(wǎng)絡(luò)側(cè)使用哪種MIMO工作方式以獲得最大的系統(tǒng)增益，也就是自適應(yīng)MIMO?；驹谶x擇MIMO工作模式時(shí)，主要考慮的因素包括終端的移動(dòng)速度、秩、接收信噪比等。
目前3GPPR8/R9版本中的MIMO系統(tǒng)都具備模式內(nèi)MIMO自適應(yīng)功能，例如對(duì)于下行模式3，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以根據(jù)無(wú)線信道的變化情況以及秩的變化情況，自適應(yīng)地在大延遲CDD空間復(fù)用和發(fā)射分集之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。MIMO系統(tǒng)也具備模式間自適應(yīng)功能，也就是通過(guò)從模式3轉(zhuǎn)換到模式2，可以實(shí)現(xiàn)大延遲CDD空間復(fù)用和發(fā)射分集之間的轉(zhuǎn)換。模式內(nèi)MIMO自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換速度快；模式間的MIMO自適應(yīng)需要RRC重配置過(guò)程，轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，但是可以在一定程度上節(jié)省一些系統(tǒng)資源。
 

天線配置

多天線傳輸系統(tǒng)和基站的天線配置情況密不可分，想要實(shí)現(xiàn)特定的MIMO傳輸工作方式，需要合理的基站側(cè)天線配置。下面對(duì)主要的MIMO工作方案對(duì)天線配置的要求進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
–發(fā)射分集技術(shù)要求至少在發(fā)射端有較低的空間相關(guān)性，因此在天線配置時(shí)至少要求在發(fā)射端使用正交的極化天線或有足夠空間間隔的多個(gè)非級(jí)化天線，例如可以采用DIV（Diversity）或CLA（ClusterLinearArray）類(lèi)型的天線配置。DIV天線陣列使用多個(gè)單極化陣子，彼此間有較大空間隔離（如4個(gè)波長(zhǎng)）。CLA天線陣列中的陣子對(duì)的間距雖然很小（如0.5個(gè)波長(zhǎng)），但是每個(gè)陣子對(duì)內(nèi)是兩個(gè)交叉極化陣子，通過(guò)使用這兩個(gè)正交的極化陣子可以保證較低的空間相關(guān)性。
–空間復(fù)用技術(shù)要求在發(fā)射端和接收端都有較低的空間相關(guān)性，因此在天線配置時(shí)，在發(fā)射端可以使用正交的極化天線或有足夠空間間隔的多個(gè)非級(jí)化天線，可以采用DIV或CLA類(lèi)型的天線配置。
–波束賦形技術(shù)要求在發(fā)射端有較高的空間相關(guān)性，因此在天線配置時(shí)在發(fā)射端需要使用較小的天線間距，例如使用CLA和ULA（UniformLinearArray）類(lèi)型的天線。CLA的陣子間距較小，可以使用相同極化方向的不同陣子實(shí)現(xiàn)波束賦形效果。ULA類(lèi)型的天線由排列非常緊密的單極化陣子構(gòu)成，所以非常適合波束賦形操作。
–MU-MIMO技術(shù)也要求在發(fā)射端有較高的空間相關(guān)性，所以一般可以使用ULA或CLA類(lèi)型的天線。