3G/4G无线通信系统中的MIMO技术分析

今天，先进的3G/4G(HSPA+、 LTE和IMT-advanced)应用普遍采用多路输入多路输出(MIMO)技术。借助增强的频谱效率，MIMO能够保证实现更高的数据速率，并通过将电子信息嵌入到空间处理单元来提高无线系统的性能。空间处理包括在发射机上进行空间预编码和在接收机上进行空间后编码，从信息信号处理理论角度讲，它们彼此之间进行的是双重处理。MIMO技术与正交频分多路复用(OFDM) 相结合可以充分利用无线信道空间分集和多径的特征，实现先进的3G宽带无线通信和高频谱利用率。

表1：适用于3G标准的3G MIMO技术的演进历程。

　　表2是3GPP LTE标准TR 25.913的概述，它显示了在固定6?QAM调制深度时，单路输入单路输出(SISO)和MIMO天线配置中的性能。这些数字表示在理想的无线条件下(具有信令开销补偿)，频分双工(FDD)空中接口的物理限制。

表 2：3G MIMO应用(6?QAM)的数据速率性能。

　　在无线通信系统中，在发射机和/或接收机上使用多个天线开辟了一个新的维度空间。如果能够正确利用这一技术，可以极大地提高性能，它现在被广泛地称为MIMO系统。这里的输入和输出指的是无线信道。发射机的多个天线意味着有多个信号输入到无线信道中，接收机的多个天线是指有多个信号从无线信道输出。图1是对SISO、SIMO、MISO和MIMO系统的简单演示。通过本图，您可以很容易理解对于发射机天线(T)和接收机天线(R)的MIMO系统来说，如果每个发射接收天线对之间的信道独立进行衰落，则信道分集阶数为T×R。

图 1：SISO、SIMO、MISO和MIMO系统之间的关系。

　　不同的MIMO应用

　　在一个密集的多径散射环境中，MIMO系统可充分利用通过空间分隔的天线获得空间分集。MIMO系统能够通过许多不同方法来实施，以获得抵抗信号衰落的分集增益或者容量增益。通常，MIMO技术具有三种类型。第一类旨在通过最大化空间分集提高功率效率。此类技术包括延迟分集、空时分组编码(STBC)和空时网格码(STTC)。第二类利用丰富的散射环境中的空间复用，通过天线传输相互独立的数据信号，以提高数据速率，但通常不能够达到完整的空间分集。第三类利用的是发射机的信道信息，又称为波束赋形。它利用信道信息建立波束赋形矩阵，作为发射机和接收机的前置滤波器和后置滤波器的，以实现容量增益。

　　空间分集

　　无线信道中信号功率的波动非常快速。信号功率显著下降时，信道处于衰落状态。分集用于在无线信道中抵抗衰落。接收天线分集可在SIMO通道中使用。接收天线接收同一信号独立的衰落状态，并与这些信号相结合，使得合成信号的幅度变化小于任一天线的信号。通常使用独立衰落信道数来描述分集的特征，这一数目也称为"分集阶数"，并且如果同一发射天线针对所有接收天线的信道具有独立的衰落特性，则分集与SIMO信道中接收天线的数量相等。发射分集适用于MISO信道并且已经成为备受关注的研究领域。提取分集需要适当的设计发射信号。在接收机上使用合适的组合方案，以获得分集增益。如果所有发射天线到同一接收天线的信道具有独立的衰落特性，则该信道的分集与发射天线的数量相等。

图2：(a) AlamouTI空时编码发射机结构；(b) 空间复用发射机结构；(c) 波束赋形发射机结构。

　　图2给出了一个简单的发射机分集方案实例，也称为 Alamouti空时编码。在指定的符码周期，两个天线同时发出两个信号。在符码周期t1，分别从天线0和天线1发送信号s0和s1，在下一个符码周期 t2内，天线0发送信号-s1*，天线1发送信号s0*，其中()*是复共轭运算。这一序列如图2所示。编码是在空时编码中完成的，也可在空频编码中完成。可使用两个相邻的载波(空频编码)来替代两个相邻的符码周期。使用MIMO信道的分集需要将上述发射和接收分集相结合。如果每个发射接收天线对之间的信道独立衰落，则分集顺序与发射和接收天线的数量相等。

　　空间复用

　　空间复用可以为相同带宽的信号提供线性增长的传输速率，而且不会造成额外的功率损耗。

　　图2(a)给出了含有两个发射天线的简单的空间复用系统，这一概念可扩展到更普遍的MIMO系统中。发射的比特流被去复用到两个具有一半速率的子比特流中，由每个发射天线同时进行调制和发射。例如在图2(a)中，在符码周期t1内，天线0发射符号s0，从天线1发射符号s1。在符码周期t2内，天线 0发射符号s2，天线1发射符号s3。因此，发射速率是SISO系统的两倍。在最佳的信道条件下，接收机端接收到的信号的空间特性,可以被很好的分离。接收机根据信道信息可以对两个同信道信号进行区别和提取。进行解调之后，子比特流能够相互结合产生原始比特流。所以，空间复用所能提高的传输速率与发射接收天线对的数量成正比。空间复用还可用于多用户格式，也就是空分多址或SDMA。假设两个用户发射独立的信号，这两个信号均到达一个配有两个天线的基站。该基站可以分离这两个信号，以支持两个用户同时使用信道。这使容量能够根据基站的天线数量和用户数量成比例的增加。

 　　波束赋形

　　在空间分集和空间复用中，通常认为发射机不了解信道信息。当发射机具备信道信息时，可改善系统性能。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着发射机已知信道矩阵。部分信息可能指的是瞬时信道的某些参数(例如矩阵信道的条件数)或统计特性(例如发射或接收的相关特性)。图2(b)显示了使用信道信息的预编码框架。发射信号(S0，S1)与预编码相乘，这可以解释为波束赋形。经过预编码之后，两个分离的数据流可从两个发射天线同时发送，作为空间复用，但是矩阵编码器将根据信道信息发生变化。假设发射机已经知道发射相关矩阵，则可以使用相关矩阵的特征矩阵建立预编码矩阵，以优化遍历容量。将2×2预编码矩阵表示为W，则符码周期t1内的发射符码为：

　　同样，可以使用预编码矩阵表示发射符码×2和×3。在这个预编码方案中，传输速率与发射接收天线对的数量成正比。

　　MIMO性能的信道依赖性

　　对于无线通信系统来说，信道是关键因素，它决定系统的性能。例如，通过损耗和衰落可导致信号幅度衰减，多径可导致符码间干扰。虽然MIMO开辟了一个新维度空间可以极大地提高性能，但是分集或容量增益是否能够真正实现依赖于信道特性。在STBC应用中，是否能够达到分集增益取决于信道分集阶数。只有当每个发射接收天线对之间具有独立衰落通道时，信道分集阶数才等于发射和接收天线的数量。这意味着如果发射接收天线对之间的信道具有高相关特性，则可以获得的分集增益将非常有限。空间复用应用还要求信道独立特性。只有在最佳信道条件下，不同的空间信号流才能够被很好地分离，这就是说发射接收天线对之间的信道具有低相关特性。

　　MIMO 性能测试中的挑战

　　随着MIMO系统发射机/接收机单元的增加，产品设计和开发的复杂程度也在迅速增加，这也给 MIMO性能测试带来了挑战。如上所述，MIMO的性能取决于信道，为了研究不同信道条件下的接收机性能，必须使用MIMO信道。在早期设计和验证周期内，直接在真实的无线信道环境中进行测试并不是一种有效方法。这非常耗时，由于信道敏感和多变，重复生成研究问题是非常困难的。使用软件生成信道系数是另一种选择，但也并非理想方法。因为发射信号的系数生成和卷积运算过程是极为耗时和占用资源的，所以只使用软件来仿真信道行为在实时测试中是不可行的。另外，信道模型变得越来越复杂，不同的通信标准要求使用不同的信道模型和测试环境。重复生成所有这些信道模型和测试环境将加重设计工程师的负担，而且耗时的测试将减缓故障诊断过程和开发周期。因此，专业的MIMO信道仿真器是这些工程师加快工作进程的关键工具。

　　MIMO信道仿真器使用功能强大的数字信号处理技术可以重复生成设定的、真实的信道环境，这使工程师能够在早期部署和设计验证阶段隔离性能问题，并为元器件或系统的全面故障诊断提供最快速的方法。目前的SISO信道仿真器无法有效地解决MIMO性能测试问题。首先，每台接收机需要对不同发射机的信号流进行求和运算；第二，多级并联SISO信道仿真器无法仿真不同信道的相关特性，而这是MIMO信道的一个重要特点；第三，满足所需的信道数量要求对于SISO信道仿真器来说是一个巨大的挑战。

　　可仿真真实MIMO信道的专业仪器为应对这些复杂的测试条件提供了最佳解决方案。信道仿真器(例如 N5106A PXB MIMO接收机测试仪)使用功能强大的数字处理技术可以重复生成真实的MIMO条件，从而能够在设计、部署和验证周期早期快速隔离性能问题。信道仿真器还具有一个优势，它可以生成真实的衰落环境，包括路径和信道相关性，具有更低的实施成本和更快的校准流程。

 

　　图3.Agilent N5106A MIMO接收机测试仪可提供多达4个基带发生器和8个衰落器，这有助于对高达4×2 MIMO的系统进行测试和故障诊断。Agilent Signal Studio信号生成软件在该测试仪上运行，并为工程师提供最新的标准一致性信号生成功能。

 　　图4显示了测试 2×2 MIMO接收机的简化配置图。该测量仪器与两个用于信号上变频的射频信号发生器相连，仪器内部基带发生器生成标准一致性波形，例如LTE信号。通过软件的图形化界面用户可以清楚地看到基带发生器与信道衰落器之间的对应关系。每台衰落器能够使用标准一致性衰落模型进行独立配置，如使用3GPP LTE标准36.101 Annex B，或者使用各种路径和衰落条件定制可配置的模型。与独立的衰落器不同，仪器的自动功率校准功能消除了进行衰落所需的枯燥、耗时的系统设置。

 

图4：使用Agilent N5106A PXB MIMO接收机测试仪测试2×2 MIMO接收机的简化方框图。

　　本文小结

　　本文概述了先进的3G/4G无线通信系统中的MIMO技术，介绍了空间分集、空间复用和波束赋形的基本概念以及它们对MIMO性能的影响。在用于丰富的多径环境时，MIMO技术具有提高信号的强健性和扩充容量的潜力。开发和测试MIMO元器件和系统要求使用能够轻松配置的先进信道仿真工具，并为真实的无线信道和条件提供精确表征。本文还与读者分享了如何使用市场上有售的仪器(如Agilent N5106A PXB MIMO接收机测试仪)来仿真这些复杂信道。