MIMO的MIMO技术的应用

无线宽带移动通信为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成MIMO通信链路。应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类：一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区，这一类可以称为集中式MIMO；另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区，可以称为分布式MIMO。传统蜂窝移动通信系统MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列。基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行MIMO通信。从系统结构的角度看，这样的MIMO系统与传统的单入单出(SISO)蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。和传统的分布式天线系统相结合传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损耗，能够在小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角，提高通信服务质量。最近在MIMO技术的研究中发现，传统的分布式天线系统与MIMO技术相结合可以提高系统容量，这种新的分布式MIMO系统结构——分布式无线通信系统(DWCS)[8]成为MIMO技术的重要研究热点。在采用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接。具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信，与基站建立了MIMO通信链路。这样的系统结构不仅具备了传统的分布式天线系统的优势，减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过MIMO技术显著提高了信道容量。与集中式MIMO相比，DWCS的基站天线之间距离较远，不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容量更大。总体上说，分布式MIMO系统的信道容量更大，系统功耗更小，系统覆盖性能更好，系统具有更好的扩展性和灵活性。分布式MIMO的DWCS系统也带来了一些新问题。移动台和小区内邻近的天线建立的MIMO链路，由于基站不同天线的位置不同，它们距离移动台的距离不同，使得基站端的多个天线的信号到达移动台的延时也不同，因此带来新的研究问题。目前在这方面研究较多的是进行容量分析。除此之外的研究内容还包括：具体的同步技术、信道估计、天线选择、发射方案、信号检测技术等，这些问题有待深入研究。无线通信领域MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容，B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中，正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中，如超宽带(UWB)系统、感知无线电系统(CR)，都在考虑应用MIMO技术。随着使用天线数目的增加，MIMO技术实现的复杂度大幅度增高，从而限制了天线的使用数目，不能充分发挥MIMO技术的优势。目前，如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度，成为业界面对的巨大挑战。雷达领域MIMO技术同样也应用于雷达领域，主要通过多个天线发射不同的正交波形，同时覆盖较大空域，并利用长时间相干积累来获得较高的信噪比。

MIMO(多输入多输出)是一种用于无线通信的天线技术，在这种技术中，多路天线同时用于源（发射器）和目的地（接收器）。在通信回路每一端的天线都进行了组合以达到最小的误差和最优的数据传输速度。MIMO是智能天线技术几种形式中的一种，其他的几种是MISO( 多路进，一路出)和SIMO(一路进，多路出)。　　

在传统的无线通信中，单一一根天线在源头使用，另一根天线在目的地使用。在某些情况下，这样的设计产生了多径效应的问题。当一个电磁场遇到障碍物如山峰，峡谷，建筑物，以及设施线等时，波阵面被分散，从而电磁波沿着多条路经到达目的地。信号散射部分的后到者引起了如衰减、花样（陡壁效应），以及间歇接受（尖桩篱栅）等问题。在无限互联网等数字通信系统中，它会造成数据传输速度的减慢和错误的增加。两根或多根天线的使用，配合在源和目的地的多路信号传输（一根天线传一路），消除了由多径传播造成的干扰，甚至能对这种效应的优点加以利用。　　

由于在数字电视、（DTV）,无限局域网（WLANs）,都市区域网（MANs）和手机通信中可能的应用，MIMO技术已引起了广泛的关注。

LTER8/R9版本中下行引入了8种MIMO传输模式，其中LTEFDD常用的MIMO传输模式为模式1到模式6（TM1～TM6），而模式7（TM7）和模式8（TM8）主要应用于TDLTE系统中，下面是不同传输模式的简要说明。
–模式1：单天线端口传输（端口0）。
–模式2：开环发射分集。
–模式3：大延迟CDD空间复用与开环发射分集自适应。
–模式4：闭环空间复用与开环发射分集自适应。
–模式5：多用户MIMO与开环发射分集自适应。
–模式6：单层闭环空间复用与开环发射分集自适应。
–模式7：单流波束赋形（端口5）与开环发射分集或单天线端口传输（端口0）自适应。
–模式8：双流波束赋形（端口7和端口8）或单流波束赋形（端口7或端口8）与开环发射分集或单天线端口传输（端口0）自适应。
图6所示是LTE系统中下行物理层处理过程，其中MIMO技术主要涉及到层映射和预编码两部分处理过程。层映射主要是根据传输的码字（单码字或双码字）和传输层数（取决于发射端天线数量），将数据流映射到不同的传输层。预编码的主要目的是使传输的信号更好地匹配信道条件，以获得更好的传输质量。预编码有基于码本和非码本两种方式。LTEFDD主要使用基于码本的预编码方式，主要是因为LTEFDD工作时上下行链路使用不同的频率，当有较大的双工间隔时，不能够直接使用反向信道的测量来估计正向信道的条件，所以主要依靠终端的反馈来辅助预编码。而TDLTE因为可以使用信道互易性，所以更容易实现基于非码本的预编码工作方式。下面对不同的传输技术进行简要的介绍。

1．开环发射分集
当终端处于无线信号质量较差的场景或终端移动速度较快时，及时准确地掌握下行信道的质量状况较为困难，这时使用开环发射分集技术可以有效对抗信道衰落，提高接收端的信噪比。
开环发射分集工作方式采用单码字传输，也就是将一路数据流同时映射到2层或者4层进行传输，在接收端将多个发射天线的信号进行合并处理获得额外分集增益，具体的层映射过程参见下行链路传输技术中的物理信道处理。
在LTE系统中，下行链路使用OFDM技术，因此为了适应频域信号处理的要求而采用了SFTD（SpaceFrequencyTransmitDiversity，空频发射分集）工作方式。SFTD基于SFBC（SpaceFrequencyBlockCoding，空频块编码）技术。
对于Alamouti编码，一个缺点是当发射天线数目大于2时，理论上证明不存在正交的可用于全速率传输的编码方式，因此对于4天线开环发射分集，采用了结合SFTD和FSTD（FrequencySwitchTransmitDiversity，频率交换发射分集）的工作方式（如图8所示），实际上是将4个天线分为两组，分别为第一组天线（天线端口0、2）和第二组天线（天线端口1、3），每组天线内采用SFTD工作方式，天线组间采用FSTD工作方式。采用这种在天线间交织的工作方式，主要原因是天线端口0、1的参考信号密度较大，天线端口2、3的参考信号密度较小，使用天线分组交织的工作方式可以保证两组SFBC码块有较平衡的解码性能。开环发射分集预编码过程具体方案可以参见下行链路传输技术中的物理信道处理。


2．空间复用
当终端处于无线信号质量较好且存在丰富的多径资源的场景时，则可以在MIMO系统的不同信道间共享高信噪比，为用户提供并行传输多路数据的服务，有效提高单用户的数据吞吐率和系统的吞吐量。假设MIMO系统中发射机有NT个发射天线，接收机有NR个接收天线，根据多天线理论可以知道，接收端的信噪比与单天线传输相比最大可以提高NT×NR倍，因此在功率和带宽不受限的条件下用户的数据传输速率可以得到显著提高。式（4）为单天线系统中的信道容量理论计算方法，当信噪比提高NT×NR倍时，利用原有的传输带宽，可以近似认为信道容量提高log2(NT×NR)倍。在实际应用时，MIMO信道数量可能会少于发射端或接收端最少天线数目，假设为M，M≤min{NT，NR}，则实际MIMO系统的信道容量可以参考式5的计算方法。3GPPR8/R9版本标准中制定了3种空间复用工作方式，分别是大延迟CCD空间复用、闭环空间复用和单层闭环空间复用。下面分别进行简单的介绍。
公式4
公式5　　
3．大延迟CDD空间复用
大延迟CDD空间复用技术是将CDD（CyclicDelayDiversity，循环延迟分集）技术和空间复用技术进行组合应用。CDD技术可以认为是分集技术的一种，通过在不同的天线端口人为增加不同的时延，相当于进行了信道无关的频率选择性预编码。这样的预编码可以使传输信号和实际信道匹配得较好，从而有效提高接收端信噪比，但也有可能使传输信号与信道矩阵失配而降低接收端信噪比，所以CDD技术的性能和时延的选择有直接关系。LTE系统中采用支持较大延迟的CDD技术，保证在一定的传输带宽内能够实现较大的信噪比变化，使得各层的信号能够有相近的信道质量，如果终端侧使用MMSE接收机就能够获得一定增益。CDD技术的工作原理如图9所示。

大延迟CDD空间复用技术采用双码字传输，也就是两路不同的数据流同时映射到2～4层进行传输，高信噪比保证了使用多码字时的传输质量，有效提高了数据传输速率。具体层映射过程参见下行链路传输技术中的物理信道处理。
大延迟CDD空间复用技术的预编码过程见式（6）。其中W是基于码本的预编码矩阵。因为大延迟CDD空间复用是一种开环空间复用，也就是终端反馈时可以反馈CQI（ChannelQualityIndicator，信道质量指示）和RI（RankIndicator，秩指示）信息，但不反馈PMI（PrecodingMatrixIndicator，预编码矩阵指示）信息，因此预编码矩阵W是由网络侧进行选择的。D是延时矩阵，U是单位矩阵，通过D和U矩阵可以实现不同层信号间的均衡。W、D和U矩阵的具体取值参考下行链路传输技术中的物理信道处理。
4．闭环空间复用
闭环空间复用可以采用单码字或双码字传输。单码字传输对应模式6，也就是单层闭环空间复用技术。双码字传输对应模式4，也就是常说的闭环空间复用技术。对于单层闭环空间复用技术，一路数据流映射到一层传输，对应于RI=1的情况，这时工作原理类似于基于小区公共参考信号的波束赋形，可以有效提高小区的覆盖能力。对于双层闭环空间复用技术，两路不同的数据流同时可以映射到2～4层，用于信噪比条件较好且终端移动速度较低的场景，可以有效提高数据传输速率。具体层映射过程参见下行链路传输技术中的物理信道处理。
闭环空间复用和开环空间复用的主要区别是闭环空间复用需要终端反馈PMI信息，PMI信息的内容是终端从给定的预编码矩阵中选择的一个合适的W矩阵。网络侧根据终端反馈的PMI信息选择合适的预编码矩阵W（可以与终端反馈的不同），这样可以提高预编码的准确程度，带来一定的增益。但是在终端移动速度较快时，反馈的延时可能造成反馈的信息相对滞后，反而会影响网络的性能。闭环空间复用的预编码过程见式7，具体的W矩阵取值参见下行链路传输技术中的物理信道处理。

5．多用户MIMO
空间复用技术的另一种应用方式就是在小区内的多个用户间实现高信噪比的共享，也就是所谓的MU-MIMO（Multi-UserMIMO，多用户MIMO）技术。MU-MIMO的工作原理是网络侧使用相同的时频资源同时向不同的用户发送数据，通过空间来分隔这些用户，也就是类似于SDMA（SpatialDivisionMultipleAccess，空分多址）接入技术。如图8所示，左侧是单用户MIMO工作方式，两路数据同时发送给某一个用户，显著提高该用户的峰值吞吐量；右侧是MU-MIMO工作方式，两路数据分别发送给不同的用户，有助于提高小区平均吞吐量。处于MU-MIMO工作方式的用户间信道有较大的相关性，因此需要保证配对用户间有较好的空间隔离度，需要通过较窄的传输波束对准不同的终端来降低对其他用户的干扰。因为这时信道间的相关性很强，也可以认为是RI=1波束赋形。对于MU-MIMO技术，最关键的是如何找到合适的配对终端，这些终端间需要有非常好的空间隔离性，以及同时发送数据的请求，这不仅对基站侧的调度器提出了很高的要求，同时也需要小区内有较多的用户时才可能满足MU-MIMO工作方式的场景。
3GPPR8/R9版本标准中定义的模式5工作方式是一种基于小区参考信号的MU-MIMO工作方式，同时基于码本传输，具体的预编码过程、码本选择和闭环空间复用过程一致，每个配对用户占用一层进行数据传输，总共可以同时传输两层数据，也就是有两个配对用户。

6．波束赋形
波束赋形是TD-LTE系统中常用的多天线传输方式，需要基站配置天线阵元间距较小的阵列天线。波束赋形的操作和线性预编码过程非常相似，但工作原理有一定区别，波束赋形主要依靠信道间的强相关性以及电磁波的干涉原理，在天线阵列发射端的不同天线阵子处合理控制发射信号的幅度和相位来实现具有特定辐射方向的发射波形，这样有助于提高覆盖范围和特定用户的信噪比，同时也可以减小对其他用户的干扰。
3GPPR8/R9版本标准中定义的模式7和模式8分别对应单层波束赋形和双层波束赋形操作。波束赋形操作不需要终端进行特别的反馈，系统可以通过对终端的上行链路进行测量来确定下行链路发射信号的波束赋形参数，但是需要发射特定的基于终端信息的专用导频信号，使用专用导频信号可以减少公共导频信号的占用，保证在更多天线数目（如大于4个）情况下能够使用波束赋形技术。 对于R8/R9的LTE终端，主要配置为双天线，但是采用单发双收的工作模式。上行链路MIMO的工作方式主要包括以下几种：
–单天线传输：采用上行单天线传输方式，使用固定天线发送（端口0）。
–开环发送天线选择分集：采用上行单天线传输方式，终端选择天线进行上行传输。
–闭环发送天线选择分集：网络侧通过下行物理控制信道上承载的下行控制信息通知终端采用特定天线进行上行传输。
–上行MU-MIMO：网络侧能够根据信道条件变化自适应地选择多个终端共享相同的时频资源进行上行传输。
在3GPPR8/R9版本中，上行未使用空间复用技术，主要是考虑到射频实现复杂度高、MIMO信道非相关性实现较难、天线数量越多终端耗电越大、与其他无线通信系统（如GPS，蓝牙等）的干扰问题严重等因素。以射频实现为例，若要保证终端上行可以实现空间复用技术，一般情况下要求天线间至少要保证半个波长的空间隔离。假如此时上行传输使用2.6GHz的载波，空间隔离约为5cm，同市面的手持终端尺寸可比拟，相对容易实现；但是当载波低到1GHz以下，如700MHz时，半波长超过10cm，大于目前市面销售的一般手持终端的尺寸，所以对于1GHz以下的频率，实现手持终端的上行MIMO工作方式难度相对较大。
1．天线选择传输
采用单天线传输时，只能使用固定天线，但在实际情况下两个天线上传输的信号质量不完全相同，如果能够选择传输信号质量较好的天线，则可能获得一定的天线分集增益。目前天线选择有开环和闭环两种方式，具体使用哪种方式由网络侧配置。
–当终端不具备天线选择功能或网络侧未配置使用天线选择功能时，则终端使用单天线传输方式。
–当网络侧配置终端使用开环天线选择工作方式时，具体使用哪个天线传输由终端来决定。LTEFDD系统中一种可行的实现方式是终端交替使用不同的天线进行传输，以获得一定的天线分集增益；而TDLTE系统可以利用信道互易性获得上行信道质量的信息进而选择合适的天线进行传输。
–当网络侧配置终端使用闭环天线选择工作方式时，由网络侧控制终端使用哪个天线进行传输，终端按照网络侧最近下发的DCIFormat0信息获知具体的发射天线端口，具体过程见表1，通过特定的天线选择掩码对DCIFormat0信息后面增加的CRC校验比特进行加扰。
表1 终端发射天线选择掩码 终端发射天线选择 天线选择掩码（xAS,0，xAS,1，…，xAS,15） 终端天线端口0 <0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0> 终端天线端口1 <0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1> 2．多用户MIMO
R8/R9LTE终端在上行只支持单发双收工作方式，不可能实现上行单用户MIMO，因此在上行链路传输中，一种特殊的被称为虚拟MIMO的技术得到应用。当终端1与eNodeB间的空间信道和终端2与eNodeB间的空间信道不相关时，基站调度器可以为两个终端分配相同的时频资源，同时进行上行传输，也就是上行MU-MIMO。当小区有较多用户（例如有较多的VoIP用户）且基站有较多的接收天线时，上行MU-MIMO更容易实现，同时可以提高小区的平均吞吐量。工作于上行MU-MIMO工作模式下的终端采用相互正交的参考信号图案，以简化基站的处理难度。从终端的角度看，上行MU-MIMO与单天线传输的不同之处，仅仅在于参考信号图案的使用必须与其他终端配对。但从基站的角度看，确实是一个2×2的MIMO系统，接收机可以对这两个终端发送的信号进行联合检测。由于MU-MIMO的终端间使用相同的时间和频率资源，且空间信道之间很难完全不相关，所以可能会带来一定程度的用户间干扰，基站使用MMSE接收机可以有效减小这种干扰的影响。