MIMO技術(shù)及其在3G中的應(yīng)用
1 引言
隨著移動(dòng)分組業(yè)務(wù)流量的不斷增加,人們對(duì)移動(dòng)通信空口帶寬的需求也不斷增加。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)營商大量的投資,因此HSPA+作為一個(gè)過渡技術(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 BellLabs 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3種方式來提升無線傳輸速率及品質(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??諘r(shí)編碼通過在發(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,參見圖1。
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。
2002年10月,世界上第一顆BLAST芯片在貝爾實(shí)驗(yàn)室問世,這標(biāo)志了MIMO技術(shù)走向商用的開始。
(2)空時(shí)編碼
空時(shí)編碼通過在發(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)框圖參見圖2。
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。
(3)波束成型
波束成型技術(shù)又稱為智能天線(Smart Antenna),通過對(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,參見圖3。
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,可能無法使用高階調(diào)制方式,如16QAM等。無線信號(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)較小的無線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式,但無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利。空時(shí)編碼技術(shù)在無線相關(guān)性較大的場合也能很好的發(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,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,即開環(huán)和閉環(huán)。
● 開環(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,參見圖4。
● 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,參見圖5。
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)必將在未來的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)重要的位置。