充分利用MIMO技術(shù)

在LTE、WiMAX和微波傳輸網(wǎng)絡(luò)中，采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)以及合適的部署策略是可以增加容量的。但是，具有視距傳輸網(wǎng)絡(luò)中的 MIMO，比如LTE和WiMAX，與其在視距微波傳輸中的運(yùn)行相比有所差異。為了充分利用MIMO的優(yōu)勢(shì)，服務(wù)提供商需要了解MIMO是如何工作的，以 及為什么它在不同的網(wǎng)絡(luò)中存在差異。

MIMO的優(yōu)勢(shì)

MIMO使用至少2個(gè)，有時(shí)多個(gè)，發(fā)射天線和接收天線來(lái)傳輸一個(gè)單信道。這種方法增加了數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。例如，在每一側(cè)增加6個(gè)天線所得到的容量增長(zhǎng)，與在一個(gè)單輸入單輸出(SISO)的信道增加100多倍功率所產(chǎn)生的效果是相同的。

MIMO技術(shù)使得容量增加和使用天線數(shù)量呈線性關(guān)系。相反，SISO、單輸入多輸出(SIMO)和多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)的容量增加，和天線數(shù)量呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系。相對(duì)對(duì)數(shù)增加而言，線性容量的增加是一個(gè)更有效的方法。

MIMO的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)比SISO、SIMO和MISO的更復(fù)雜，但是它不需要更多的發(fā)射功率。

MIMO優(yōu)勢(shì)是如此清楚，它和許多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)相結(jié)合，包括：

國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)的高速下行分組接入(HSDPA)標(biāo)準(zhǔn)是通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)標(biāo)準(zhǔn)的一部分。家用無(wú)線路由使用IEEE 802.11n 標(biāo)準(zhǔn)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)在蜂窩電話中使用的移動(dòng)WiMAX技術(shù)IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)。ITU LTE標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)MIMO遇到香農(nóng)定理

當(dāng)MIMO系統(tǒng)在上世紀(jì)90年代中后期由Gerard Foschini等人提出后，這種具有突破性的帶寬效率似乎違反香農(nóng)定理。實(shí)際上MIMO中的多樣性和信號(hào)處理的使用，將單一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道變換成多個(gè)并行信道來(lái)處理了。

香農(nóng)定理是建立在一個(gè)具有信道容量C和以速率R來(lái)傳輸信息的有噪信道上的。然后它又指出，如果R小于C，應(yīng)該有這樣一些代碼，使得接收機(jī)錯(cuò)誤譯碼概率達(dá)到任意小。這意味著，從理論上講，它可能以一個(gè)低于速率C的任何速率而幾乎沒(méi)有差錯(cuò)地來(lái)傳輸信息。

這個(gè)容量通常表示成：

C = W log2(1 + S/N)

這里：

C 是以每秒比特為單位的信道容

W 是以赫然為單位的系統(tǒng)帶寬

S/N 是信噪比(S/N)

對(duì)于一個(gè)50dB的SNR和20Mhz帶寬的信道，它的容量用數(shù)學(xué)方法表示成：

C=20*log2(1+50)=20*5.6=112 Mb/s

容量增加是相對(duì)于SNR的一個(gè)對(duì)數(shù)關(guān)系，它是一個(gè)慢增長(zhǎng)。

這個(gè)例子使用一個(gè)20 MHz的信道，這個(gè)帶寬通常使用在LTE 和LTE-A中。但20Mhz帶寬的LTE-Advanced容量是500 Mb/s或更高----顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出香農(nóng)極限。

超越香農(nóng)極限的一個(gè)途徑是提高信噪比和基站發(fā)送功率。但即使信噪比為100，20 MHz信道帶寬的吞吐量也只有133 Mb/s，遠(yuǎn)小于LTE-A可能能夠提供的500 Mb/s吞吐量。

然而MIMO能夠做到這個(gè)。它的高容量接收信息已然成為一個(gè)共識(shí)。

LTE和WiMAX 網(wǎng)絡(luò)中的MIMO

下面的公式可用于計(jì)算MIMO的香農(nóng)極限。一個(gè)MIMO系統(tǒng)所能達(dá)到的最大容量取決于如何建立一個(gè)信道，而不只是如SISO系統(tǒng)所示的信噪比。在數(shù)學(xué)方面，MIMO系統(tǒng)的性能依賴于信道矩陣H及其性能的條件。

可以認(rèn)為H信道矩陣是一組方程。每個(gè)方程代表一個(gè)接收信號(hào)，這個(gè)接收信號(hào)代表了一組唯一的信道系數(shù)和與之相應(yīng)的發(fā)射信號(hào)共同作用的結(jié)果。

該系統(tǒng)的性能最佳是H矩陣滿秩，每行和每列滿足相互之間的完全獨(dú)立。換句話說(shuō)，如果矩陣是線性的，也就是矩陣是滿秩的，那么方程是可解的。

這意味著系統(tǒng)的最優(yōu)性能只有在每個(gè)通道是完全獨(dú)立時(shí)才可能存在。在一個(gè)充滿散射、陰影衰減、反射和其它影響的環(huán)境中，信道是完全相互獨(dú)立的。

盡管這看起來(lái)像一個(gè)反直覺(jué)的解釋，得到所傳輸信息的唯一途徑是H矩陣的可逆。僅當(dāng)H矩陣所有的行和列都是不相關(guān)時(shí)，H矩陣是可逆的。而只有散射、陰影衰減、反射和其它影響存在時(shí)，行和列才是不相關(guān)的。

這是LTE和WiMAX網(wǎng)絡(luò)的典型情況，特別是在人口稠密的城市地區(qū)使用時(shí)。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波網(wǎng)絡(luò)中的MIMO

在一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波傳輸系統(tǒng)中，一個(gè)矩陣可能包含2個(gè)發(fā)射天線和2個(gè)接收天線，如圖1所示。這是一個(gè)2×2 的MIMO系統(tǒng)。

圖1 一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的微波矩陣使用多個(gè)發(fā)射和接收天線[!--empirenews.page--]

假如H12表示從發(fā)射天線1到接收天線2的信號(hào)行程，那么矩陣變成：

r1 = h11 t1 + h12 t2 r2 = h21 t1 + h22 t2

這里：

r1 = 天線1的接收信號(hào)r2 = 天線2的接收信號(hào)在一個(gè)視距系統(tǒng)中：

r1 = t1 + t2

r2 = t1+ t2

這樣H =

1 1

1 1

即使對(duì)數(shù)學(xué)了解不多，也是能夠看出這個(gè)矩陣方程是無(wú)解的，是沒(méi)有辦法求解的。

這樣似乎看出MIMO是不適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波系統(tǒng)的。實(shí)際上MIMO是能夠用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波系統(tǒng)，理論和實(shí)際是不相符的。

微波系統(tǒng)中的視距MIMO

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波系統(tǒng)中，對(duì)MIMO要注意這樣一個(gè)情況，由于散射、和增加容量而需要的反射以及陰影衰減，使得接收信號(hào)不相關(guān)。相反，它依賴于發(fā)射天線之間、接收天線之間的空間距離。

利用一個(gè)合適的天線間距可以消除干擾信號(hào)，從而增加端口之間的容量傳輸。為了消除干擾信號(hào)，2條路徑之間的傳播差異，必須允許2個(gè)接收的信號(hào)在接收機(jī)的解調(diào)器中是相互正交的。

在傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)中，路徑傳播之間的差異可以通過(guò)使用環(huán)境的物理目標(biāo)來(lái)創(chuàng)建。而這種方法在微波鏈路是不可能的，因?yàn)樗鼈兪堑湫偷囊暰噙B接而且使用了高方向性天線。

然而，由于微波傳輸使用了高載波頻率，這使得有可能在接收端形成了一個(gè)短的和長(zhǎng)的傳輸路徑，這樣可以使用天線間距，來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)具有需要的正交相位差的2×2 MIMO信道。這通常被稱為一個(gè)視距(LOS)MIMO系統(tǒng)。

在一個(gè)2×2的MIMO系統(tǒng)中，在接收端2個(gè)路徑之間的相位差是90°，圖2解釋了這個(gè)原理。

圖2 合適的天線間距消除干擾信號(hào)從而增加了容量

當(dāng)一個(gè)理想的90°相位差出現(xiàn)時(shí)，干擾信號(hào)能夠被完全消除。這樣就創(chuàng)建了兩個(gè)獨(dú)立的通道，有效地增加了現(xiàn)有信道的容量。

微波傳輸系統(tǒng)中使用的高頻是一個(gè)非常短的波長(zhǎng)?？墒?，傳播路徑的地理空間特性意味著為了達(dá)到理想的相位差，在天線之間需要保持一個(gè)比較大的空間距離。

圖3顯示了在不同微波頻率下，最優(yōu)天線間距和微波單跳距離的關(guān)系曲線。

圖3 視距MIMO是適合較高的微波頻率和較短的微波單跳使用

對(duì)較短的微波單跳和較高的微波頻率來(lái)說(shuō)，天線間距要求是能夠?qū)崿F(xiàn)的。然而，對(duì)于低頻率和長(zhǎng)距離微波單跳來(lái)說(shuō)，天線間距的要求變得很高，使得他們?cè)趯?shí)際使用中是不可能滿足的。

MIMO的使用意義

在非視距LTE和WiMAX網(wǎng)絡(luò)，MIMO是一個(gè)增加傳輸容量的強(qiáng)大技術(shù)。在一些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的微波傳輸應(yīng)用場(chǎng)景中，視距MIMO也可以在增加傳輸容量中發(fā)揮重要的作用。了解何時(shí)何地MIMO可以發(fā)揮作用的服務(wù)供應(yīng)商，將在充分利用MIMO技術(shù)中處于一個(gè)最佳位置。