MIMO的應(yīng)用學(xué)習(xí)資料

摘要

MIMO使用多個發(fā)射和接收天線來增加容量

在微波傳輸系統(tǒng)中MIMO使用了不同的技術(shù)原理

MIMO對高頻、短單跳微波傳輸是有意義的

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行相比有所差異。為了充分利用MIMO的優(yōu)勢，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

MIMO使用至少2個，有時多個，發(fā)射天線和接收天線來傳輸一個單信道。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個天線所得到的容量增長，與在一個單輸入單輸出（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)對數(shù)關(guān)系。相對對數(shù)增加而言，線性容量的增加是一個更有效的方法。

MIMO的發(fā)射機和接收機比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)是通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）標(biāo)準(zhǔn)的一部分。家用無線路由使用IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)電氣和電子工程師協(xié)會在蜂窩電話中使用的移動WiMAX技術(shù)IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)。ITULTE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GerardFoschini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。實際上MIMO中的多樣性和信號處理的使用，將單一點對點信道變換成多個并行信道來處理了。

香農(nóng)定理是建立在一個具有信道容量C和以速率R來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，使得接收機錯誤譯碼概率達(dá)到任意小。這意味著，從理論上講，它可能以一個低于速率C的任何速率而幾乎沒有差錯地來傳輸信息。

這個容量通常表示成：

C=Wlog2(1+S/N)

這里：C是以每秒比特為單位的信道容量W是以赫然為單位的系統(tǒng)帶寬S/N是信噪比（S/N）

對于一個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=112Mb/s

容量增加是相對于SNR的一個對數(shù)關(guān)系，它是一個慢增長。

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

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

然而MIMO能夠做到這個。它的高容量接收信息已然成為一個共識。

LTE和WiMAX網(wǎng)絡(luò)中的MIMO

下面的公式可用于計算MIMO的香農(nóng)極限。一個MIMO系統(tǒng)所能達(dá)到的最大容量取決于如何建立一個信道，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。每個方程代表一個接收信號，這個接收信號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立。換句話說，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)性能只有在每個通道是完全獨立時才可能存在。在一個充滿散射、陰影衰減、反射和其它影響的環(huán)境中，信道是完全相互獨立的。

盡管這看起來像一個反直覺的解釋，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，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，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。

點對點微波網(wǎng)絡(luò)中的MIMO

在一個點對點微波傳輸系統(tǒng),中，一個矩陣可能包含2個發(fā)射天線和2個接收天線，如圖1所示。這是一個2×2的MIMO系統(tǒng)。

圖1

一個點對點的微波矩陣使用多個發(fā)射和接收天線

假如H12表示從發(fā)射天線1到接收天線2的信號行程，那么矩陣變成：r1=h11t1+h12t2r2=h21t1+h22t2

這里：r1=天線1的接收信號r2=天線2的接收信號

在一個視距系統(tǒng)中：

r1=t1+t2

r2=t1+t2

這樣H=

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即使對數(shù)學(xué)了解不多，也是能夠看出這個矩陣方程是無解的，是沒有辦法求解的。

這樣似乎看出MIMO是不適合點對點微波系統(tǒng)的。實際上MIMO是能夠用于點對點微波系統(tǒng)，理論和實際是不相符的。

微波系統(tǒng)中的視距MIMO

在點對點微波系統(tǒng)中，對MIMO要注意這樣一個情況，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。

利用一個合適的天線間距可以消除干擾信號，從而增加端口之間的容量傳輸。為了消除干擾信號，2條路徑之間的傳播差異，必須允許2個接收的信號在接收機的解調(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使用環(huán)境的物理目標(biāo)來創(chuàng)建。而這種方法在微波鏈路是不可能的，因為它們是典型的視距連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短的和長的傳輸路徑，這樣可以使用天線間距，來設(shè)計一個具有需要的正交相位差的2×2MIMO信道。這通常被稱為一個視距（LOS）MIMO系統(tǒng)。

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

圖2

合適的天線間距消除干擾信號從而增加了容量

當(dāng)一個理想的90°相位差出現(xiàn)時，干擾信號能夠被完全消除。這樣就創(chuàng)建了兩個獨立的通道，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非常短的波長。可是，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

對較短的微波單跳和較高的微波頻率來說，天線間距要求是能夠?qū)崿F(xiàn)的。然而，對于低頻率和長距離微波單跳來說，天線間距的要求變得很高，使