MIMO技術(shù)的應(yīng)用

1、 MIMO的應(yīng)用和發(fā)展方向MIMO技術(shù)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，MIMO技術(shù)將越來越多地應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)。在無線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)方面，第3代移動(dòng)通信合作計(jì)劃(3GPP)已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中加入MIMO技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，B3G和4G的系統(tǒng)中也將應(yīng)用MIMO技術(shù)。在無線寬帶接入系統(tǒng)中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標(biāo)準(zhǔn)也采用了MIMO技術(shù)。在其他無線通信系統(tǒng)研究中，如超寬帶(UWB)系統(tǒng)、感知無線電系統(tǒng)(CR),都在考慮應(yīng)用MIMO技術(shù)。隨著使用天線數(shù)目的增加,MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大幅度增高，從而限制了天線的使用數(shù)目，不能充分發(fā)揮MIMO

2、技術(shù)的優(yōu)勢。目前，如何在保證一定的系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低MIMO技術(shù)的算法復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，成為業(yè)界面對的巨大挑戰(zhàn)。目前，朗訊、松下、金橋和NTTDoCoMo等公司都在積極倡導(dǎo)MIMO天線系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。在3GPP的高速下行鏈路分組接入方案(HighSpeedDownlinkPacketAccess,HSDPA中提出了使用MIMO天線系統(tǒng),這種系統(tǒng)在發(fā)送和接收方都有多副天線，可以認(rèn)為是雙天線分集的進(jìn)一步擴(kuò)展。另外，在3GPP(第三代協(xié)作伙伴項(xiàng)目)的WCDMA(寬帶碼分多址)協(xié)議中，涉及到了6種分集發(fā)射方法,即空時(shí)分集發(fā)射(SpaceTimeTransmitDiversity,STTD、)時(shí)間切

3、換分集發(fā)射(TimeSwitchedTransmitDiversity，TSTD、)兩種閉環(huán)分集發(fā)射模式、軟切換中的宏分集，以及站點(diǎn)選擇分集發(fā)射(SiteSelectionDiversityTransmit，SSDT)。宏分集是指在CDMA(碼分多址)系統(tǒng)的軟切換過程中，可以通過2個(gè)甚至3個(gè)基站同時(shí)向一個(gè)移動(dòng)臺發(fā)射同樣的信號，這是宏分集發(fā)射;同樣，接收時(shí)通過相鄰的基站進(jìn)行分集接收(多個(gè)基站接收)，即進(jìn)行宏分集接收。MIMO技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在固定寬帶無線接入領(lǐng)域中，采用MIMO的主要公司是IospanWireless和RazeTechnologies。IospanWireless的AirBur

4、st系統(tǒng)是基于MIMO-OFDM(正交頻分復(fù)用)的FDD(頻分雙工)系統(tǒng)。RazeTechnologies的SkyFir系統(tǒng)也具有MIMO接口，并且可以用波束成形控制器來升級。在頻帶資源有限而高速數(shù)據(jù)需求無限增長的現(xiàn)實(shí)下，利用增加發(fā)射天線來增加空間自由度、改善系統(tǒng)性能、提高頻帶利用率是無線通信領(lǐng)域中的一個(gè)研究方向MIMO技術(shù)以其特有的優(yōu)點(diǎn)，將成為未來移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一，將對無線蜂窩系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。MIMO技術(shù)在3G的應(yīng)用隨著移動(dòng)分組業(yè)務(wù)的流量不斷增加，人們對移動(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)

5、商用，加之部署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)。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2X2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的效用主要只是用在下行，上行只是進(jìn)行傳輸天線選擇。HSPA+中，MIMO規(guī)定了下行的Prec

6、oding預(yù)編碼。矩陣，包括4種形式：空間復(fù)用(Spatialmultiplexing)；空時(shí)塊碼(SpaceTimeBlockCoding)；波束成型(BeamForming)；發(fā)射分集(TransmitDiversity)。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：開環(huán)和閉環(huán)。1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,如圖1所示。圖1開環(huán)天線選擇方案2.閉環(huán)方案中，終端必須從不同的天線發(fā)送參考符號，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，如圖2所示。

7、天線1p|_P|眉0融冋Dag|F回夭銭2.回圖Time曰導(dǎo)頻捋號叵耳數(shù)據(jù)苻號圖2閉環(huán)天線選擇方案2.MIM0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。MIMO技術(shù)在移動(dòng)町MAX中的應(yīng)用近年來，全球基于傳統(tǒng)線纜技術(shù)的寬帶的需求正在快速增加，這為無線寬帶接入技術(shù)提供了巨大的市場空間。WiMAX802.16e正越來越多地被運(yùn)營商采用為首選的固定和移動(dòng)寬帶接入策略，為終端用戶提供豐富的高

8、寬帶多媒體業(yè)務(wù)。這些策略對運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)提出了極大的挑戰(zhàn)。為了建立和維持贏利的商業(yè)模式，需要對網(wǎng)絡(luò)容量、用戶吞吐量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量作較大的改進(jìn)。MIMO多天線技術(shù)的應(yīng)用，使802.16e能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，從而有力推動(dòng)WiMAX網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。MIM是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，信號通過發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善每個(gè)用戶的服務(wù)質(zhì)量MIMO技術(shù)對于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)來說，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)3。WiMAX802.16e定義了三種可選的MIMO方式，分別STTD（SpacetimeTransmitDiversit

9、y,空時(shí)發(fā)射分集）、SM（SpatialMultiplexing，空分復(fù)用）和自適應(yīng)切換方式，同時(shí)定義了MatrixA、MatrixB和MatrixC3種編碼矩陣。華為公司W(wǎng)iMAX802.16e系統(tǒng)目前已全面支持MatrixA,并將在2008年9月支持MIMOMatrixB和MIMOMatrixC。WiMAX802.16e系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)與0FDMA技術(shù)結(jié)合使用，可以大幅提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，使WiMAX系統(tǒng)容量倍增，從而大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和維護(hù)成本，有力推動(dòng)了移動(dòng)WiMAX發(fā)展。與OFDMA完美結(jié)合WiMAX802.16e系統(tǒng)中，MIMO,OFDMA（OrthogonalFrequenc

10、yDivisionMultipleAccess，正交頻分復(fù)用接入）的完美結(jié)合，更能體現(xiàn)出MIMO的技術(shù)優(yōu)勢。MIMO系統(tǒng)可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落，MIMO仍然無能為力，其他通信系統(tǒng)一般采用均衡技術(shù)來解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落。WiMAX的OFDMA技術(shù)可以很好地克服頻率選擇性衰落。下一代移動(dòng)通信需要高的頻譜利用率技術(shù)，但OFDMA提高頻譜利用率的能力畢竟有限。結(jié)合MIMO技術(shù)，可以在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下進(jìn)一步提高頻譜效率。MIMO+OFDMA技術(shù)既可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又可以通過分集達(dá)到很強(qiáng)的可靠性和增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，OFDMA由于碼率低和加入了時(shí)間保護(hù)間隔而

11、具有很強(qiáng)的抗多徑干擾能力，多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔使系統(tǒng)不受碼間干擾的影響，這樣就可以使單頻網(wǎng)絡(luò)使用寬帶OFDMA系統(tǒng)依靠MIMO技術(shù)消除陰影效應(yīng)，真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋。（2）大幅提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力WiMAX802.16e由于采用較高的工作頻段，傳播損耗比其他移動(dòng)通信系統(tǒng)高，如何擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力也是WiMAX面臨的挑戰(zhàn)之一。MIMO技術(shù)在WiMAX系統(tǒng)的應(yīng)用，可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。MIMO在分集模式下，通過分集增益增加小區(qū)覆蓋半徑；在復(fù)用模式下，通過提升小區(qū)邊緣速率獲得的分集增益來提升小區(qū)覆蓋半徑；在自適應(yīng)切換模式下，小區(qū)邊緣工作在分集模式下，覆蓋增益與僅分集模式相同。通過華為公司的系統(tǒng)仿真

12、結(jié)果表明，在分集或自適應(yīng)切換模式下，2T2R（2Transmit2Receive,兩路發(fā)射兩路接收）MIMO相比SISO（SingleInputSingleOutput,單輸入單輸出）有210dB的覆蓋增益，覆蓋半徑增加50%90%；僅復(fù)用模式下，在小區(qū)邊緣可以間接獲得35dB的覆蓋增益。另外MIMO還可以有效提高小區(qū)邊緣覆蓋概率4。2007年8月，在日本東京，華為與當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商J:COM起對MIMO的實(shí)際使用效果進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，采用MIMOMatrixA技術(shù)可以有效提高WiMAX802.16e系統(tǒng)的覆蓋半徑，可以大幅減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)所需要的基站數(shù)目。（3）使系統(tǒng)容量倍增WiMAX802.

13、16e系統(tǒng)可提供極高的數(shù)據(jù)吞吐量和移動(dòng)性，讓用戶能夠隨時(shí)在線，即使處于移動(dòng)狀態(tài)也能獲得真正的寬帶體驗(yàn)。MIMO技術(shù)在復(fù)用模式下，可以成倍提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率，并可以成倍提高單用戶峰值速率；在分集模式下，通過增加高階調(diào)制方式的比例來提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率；在自適應(yīng)切換模式下，小區(qū)中心工作在復(fù)用模式，小區(qū)邊緣工作在分集模式，因此系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率增強(qiáng)效果介于兩者之間。OFDMA和MIMO技術(shù)的應(yīng)用，使WiMAX802.16e系統(tǒng)能夠最大程度地提高頻譜效率，提供高品質(zhì)移動(dòng)視頻和電視業(yè)務(wù)所需的高速度和高帶寬。華為公司的系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，采用MIMO2X2MatrixB技術(shù)后，可以提高WiMAX

14、16e系統(tǒng)吞吐量約30%60%，同時(shí)可以成倍提高用戶的峰值速率，保證WiMAX用戶獲得更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。（4）大幅降低網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)和維護(hù)成本在密集城區(qū)和CBD區(qū)域，高端用戶多，對系統(tǒng)吞吐量和峰值速率要求高，容易出現(xiàn)容量受限的情況。采用MIMOMatrixB技術(shù)后,WiMAX系統(tǒng)下行容量提升55%，上行容量提升33%；在容量受限場景，基站數(shù)目將減少25%左右。相比其他多天線技術(shù)如AAS（AdaptiveAntennaSystemalsoAdvancedAntennaSystem,自適應(yīng)天線系統(tǒng)，也稱作先進(jìn)天線系統(tǒng)），MIMO在密集城區(qū)的容量增益優(yōu)勢更為明顯，可以有效降低高話務(wù)區(qū)域的建網(wǎng)成本或擴(kuò)容成本5

15、。對于覆蓋受限場景，采用MIMO技術(shù)可以增加50%以上的覆蓋半徑，使單站點(diǎn)覆蓋面積增加近100%，在一定覆蓋面積下可節(jié)省40%60%的基站數(shù)目。在郊區(qū)和農(nóng)村區(qū)域引入MIM0，可實(shí)現(xiàn)最少基站的最大覆蓋，大幅降低初始建網(wǎng)成本。另外，在安裝和維護(hù)方面，AAS天線最少為4波束天線，需要較高的天線安裝空間；AAS天線相比傳統(tǒng)天線，所需饋線大大增加，增加工程量，同時(shí)鐵塔走線架的寬度也得加寬；AAS采用的天線重量大，對安裝承載能力要求提高；另外AAS天線體積較大，防風(fēng)能力差，抗風(fēng)阻性要求高，不適合在風(fēng)力大或者是臺風(fēng)多發(fā)區(qū)域使用oMIMO相比AAS，需要的天線數(shù)目少，一根普通的土45度雙極化的天線就可以支持2

16、X2MIMO，對天線安裝空間和承重要求低，容易部署、維護(hù)，可有效節(jié)省天線安裝成本和維護(hù)成本6。隨著寬帶數(shù)據(jù)用戶和移動(dòng)通信用戶的迅速發(fā)展，以及從窄帶語音通信向?qū)拵Ц咚贁?shù)據(jù)通信發(fā)展的趨勢，如何在一定的頻譜資源上提高網(wǎng)絡(luò)容量，如何在一定的站點(diǎn)數(shù)目下提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，成為將來通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中需要重點(diǎn)考慮的問題。WiMAX802.16e系統(tǒng)引入MIM0多天線技術(shù)，并與0FDMA進(jìn)行完美結(jié)合，通過增強(qiáng)系統(tǒng)在空間上的分辨能力，提高頻譜利用率并提升網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋性能，從而降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和維護(hù)成本，使WiMAX802.16e逐漸成為最有競爭力的無線寬帶接入技術(shù)。MMI0技術(shù)未來的研究方向過去的十幾年中，MIM

17、0技術(shù)已經(jīng)取得相當(dāng)大的進(jìn)展，但是在實(shí)際的系統(tǒng)中要達(dá)到MIM0理論上的容量增加仍然有許多技術(shù)難點(diǎn)。這些技術(shù)難點(diǎn)也是目前MIM0技術(shù)的研究熱點(diǎn)，主要有以下4個(gè)方面。信道建模和信道容量研究MIM0技術(shù)時(shí)必須考慮信道模型和信道容量。實(shí)現(xiàn)MIM0系統(tǒng)實(shí)際增益的關(guān)鍵在于建立更準(zhǔn)確的信道模型，在對MIM0信道容量進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)該考慮多徑，考慮衰落之間的相關(guān)性對信道容量的影響。MIM0系統(tǒng)的信號設(shè)計(jì)和信號處理MIM0信道的識別、對于已知信道應(yīng)如何設(shè)計(jì)最佳發(fā)送信號，設(shè)計(jì)出適合于大多數(shù)信道模型的通用信號、接收端信號處理如何對應(yīng)信號設(shè)計(jì)，這些都是實(shí)際可用的MIM0系統(tǒng)必須考慮的問題。使用最優(yōu)的發(fā)送信號方案，可以大大

18、簡化對接收信號的處理。一旦發(fā)送方案確定，就可以確定各種接收端的結(jié)構(gòu)，當(dāng)前的研究熱點(diǎn)是考慮信號處理結(jié)構(gòu)在性能和處理復(fù)雜性兩者之間折衷。與傳播相關(guān)的研究方向如何解決MIM0系統(tǒng)的多徑效應(yīng)是一個(gè)很重要的問題，現(xiàn)在常用的方法一是在接收端做均衡處理，二是與OFDM技術(shù)結(jié)合。美國Agere系統(tǒng)公司日前開發(fā)成功了最高傳輸速度為162Mbit/s的無線LAN(局域網(wǎng))技術(shù)，這種技術(shù)是在收發(fā)兩端使用陣列天線的多輸入多輸出(MIM0)和正交頻分復(fù)用(OFDM)。該系統(tǒng)使用3對收發(fā)天線，每對收發(fā)天線可以實(shí)現(xiàn)54Mbit/s的傳輸速率。這是目前MIM0+OFDM技術(shù)所表現(xiàn)的強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。IEEE802.11a、11

19、g都是以O(shè)FDM作為核心技術(shù)，而IEEE802.16系列則是以MIMO+OFDM技術(shù)為核心。世界各國和各大電信廠商目前都已經(jīng)開展了新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，而且MIMO技術(shù)是具有極高頻譜利用率的技術(shù)，在V-BLAST算法下，理想情況下可以達(dá)到2040bit/s/Hz，這是目前任何一種技術(shù)所達(dá)不到的。另外在各類無線通信系統(tǒng)中,IS1(符號間干擾)一直是影響通信質(zhì)量的重要因素oOFDM技術(shù)能夠有效對抗ISI,同時(shí)具有頻譜利用率高、抗多徑衰落性能好、成本偏低等優(yōu)點(diǎn)，使得這兩種技術(shù)特別是兩者的結(jié)合有望成為過渡到4G的潛在技術(shù)。因此這兩種技術(shù)已經(jīng)成為目前4G研究的熱點(diǎn)，是一個(gè)非常有前景的研究方向。MIMO在未來網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用在未來的4G系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)將發(fā)揮巨大的作用，但還有很多工作需要廣大學(xué)者進(jìn)行：研究開發(fā)適合蜂窩網(wǎng)絡(luò)的MIMO鏈路；設(shè)計(jì)利用MIMO信道實(shí)現(xiàn)在降低干擾和提高速率之間最優(yōu)的折衷算法；MIMO算法如何應(yīng)用在由于用戶移動(dòng)造成的快速時(shí)變信道中;減少附加天線所帶來的干擾;基MIMO的物理層和MAC(媒體接入控制)層主要功能的分析及兩者之間的相互作用;多用戶情況下所引入的多址干擾等8。參考文獻(xiàn)LiewTH,