無線通信系統(tǒng)中的MIMO技術介紹
今天，先進的3G/4G(HSPA+、 LTE和IMT-advanced)應用普遍采用多路輸入多路輸出(MIMO)技術。借助增強的頻譜效率，MIMO能夠保證實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，并通過將電子信息嵌入到空間處理單元來提高無線系統(tǒng)的性能。空間處理包括在發(fā)射機上進行空間預編碼和在接收機上進行空間后編碼，從信息信號處理理論角度講，它們彼此之間進行的是雙重處理。MIMO技術與正交頻分多路復用(OFDM) 相結(jié)合可以充分利用無線信道空間分集和多徑的特征，實現(xiàn)先進的3G寬帶無線通信和高頻譜利用率。
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6?QAM調(diào)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(6?QAM)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?？焖佟Ｐ盘柟β曙@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(jié)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(jīng)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(jié)構；(b) 空間復用發(fā)射機結(jié)構；(c) 波束賦形發(fā)射機結(jié)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(nèi)，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。可使用兩個相鄰的載波(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(jié)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(diào)制和發(fā)射。例如在圖2(a)中，在符碼周期t1內(nèi)，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(nèi)，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(diào)之后，子比特流能夠相互結(jié)合產(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(nèi)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。
MIMO性能的信道依賴性
對于無線通信系統(tǒng)來說，信道是關鍵因素，它決定系統(tǒng)的性能。例如，通過損耗和衰落可導致信號幅度衰減，多徑可導致符碼間干擾。雖然MIMO開辟了一個新維度空間可以極大地提高性能，但是分集或容量增益是否能夠真正實現(xiàn)依賴于信道特性。在STBC應用中，是否能夠達到分集增益取決于信道分集階數(shù)。只有當每個發(fā)射接收天線對之間具有獨立衰落通道時，信道分集階數(shù)才等于發(fā)射和接收天線的數(shù)量。這意味著如果發(fā)射接收天線對之間的信道具有高相關特性，則可以獲得的分集增益將非常有限?？臻g復用應用還要求信道獨立特性。只有在最佳信道條件下，不同的空間信號流才能夠被很好地分離，這就是說發(fā)射接收天線對之間的信道具有低相關特性。
MIMO 性能測試中的挑戰(zhàn)
隨著MIMO系統(tǒng)發(fā)射機/接收機單元的增加，產(chǎn)品設計和開發(fā)的復雜程度也在迅速增加，這也給 MIMO性能測試帶來了挑戰(zhàn)。如上所述，MIMO的性能取決于信道，為了研究不同信道條件下的接收機性能，必須使用MIMO信道。在早期設計和驗證周期內(nèi)，直接在真實的無線信道環(huán)境中進行測試并不是一種有效方法。這非常耗時，由于信道敏感和多變，重復生成研究問題是非常困難的。使用軟件生成信道系數(shù)是另一種選擇，但也并非理想方法。因為發(fā)射信號的系數(shù)生成和卷積運算過程是極為耗時和占用資源的，所以只使用軟件來仿真信道行為在實時測試中是不可行的。另外，信道模型變得越來越復雜，不同的通信標準要求使用不同的信道模型和測試環(huán)境。重復生成所有這些信道模型和測試環(huán)境將加重設計工程師的負擔，而且耗時的測試將減緩故障診斷過程和開發(fā)周期。因此，專業(yè)的MIMO信道仿真器是這些工程師加快工作進程的關鍵工具。
MIMO信道仿真器使用功能強大的數(shù)字信號處理技術可以重復生成設定的、真實的信道環(huán)境，這使工程師能夠在早期部署和設計驗證階段隔離性能問題，并為元器件或系統(tǒng)的全面故障診斷提供最快速的方法。目前的SISO信道仿真器無法有效地解決MIMO性能測試問題。首先，每臺接收機需要對不同發(fā)射機的信號流進行求和運算；第二，多級并聯(lián)SISO信道仿真器無法仿真不同信道的相關特性，而這是MIMO信道的一個重要特點；第三，滿足所需的信道數(shù)量要求對于SISO信道仿真器來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。
可仿真真實MIMO信道的專業(yè)儀器為應對這些復雜的測試條件提供了最佳解決方案。信道仿真器(例如 N5106A PXB MIMO接收機測試儀)使用功能強大的數(shù)字處理技術可以重復生成真實的MIMO條件，從而能夠在設計、部署和驗證周期早期快速隔離性能問題。信道仿真器還具有一個優(yōu)勢，它可以生成真實的衰落環(huán)境，包括路徑和信道相關性，具有更低的實施成本和更快的校準流程。
圖3.Agilent N5106A MIMO接收機測試儀可提供多達4個基帶發(fā)生器和8個衰落器，這有助于對高達4×2 MIMO的系統(tǒng)進行測試和故障診斷。Agilent Signal Studio信號生成軟件在該測試儀上運行，并為工程師提供最新的標準一致性信號生成功能。
圖4顯示了測試 2×2 MIMO接收機的簡化配置圖。該測量儀器與兩個用于信號上變頻的射頻信號發(fā)生器相連，儀器內(nèi)部基帶發(fā)生器生成標準一致性波形，例如LTE信號。通過軟件的圖形化界面用戶可以清楚地看到基帶發(fā)生器與信道衰落器之間的對應關系。每臺衰落器能夠使用標準一致性衰落模型進行獨立配置，如使用3GPP LTE標準36.101 Annex B，或者使用各種路徑和衰落條件定制可配置的模型。與獨立的衰落器不同，儀器的自動功率校準功能消除了進行衰落所需的枯燥、耗時的系統(tǒng)設置。
圖4：使用Agilent N5106A PXB MIMO接收機測試儀測試2×2 MIMO接收機的簡化方框圖。
本文小結(jié)
本文概述了先進的3G/4G無線通信系統(tǒng)中的MIMO技術，介紹了空間分集、空間復用和波束賦形的基本概念以及它們對MIMO性能的影響。在用于豐富的多徑環(huán)境時，MIMO技術具有提高信號的強健性和擴充容量的潛力。開發(fā)和測試MIMO元器件和系統(tǒng)要求使用能夠輕松配置的先進信道仿真工具，并為真實的無線信道和條件提供精確表征。本文還與讀者分享了如何使用市場上有售的儀器(如Agilent N5106A PXB MIMO接收機測試儀)來仿真這些復雜信道。
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