MIMO

MIMO （多入多出技術(shù)）

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)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，使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。

中文名 多輸入多輸出系統(tǒng)

外文名 Multiple-Input Multiple-Output

簡(jiǎn) 稱 MIMO 應(yīng)用學(xué)科天線無線通信

標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 IEEE802.11n

目錄
1 原理
2 優(yōu)點(diǎn)
3 潛力
4 發(fā)展歷史
▪ MIMO
▪ 復(fù)合技術(shù)
5 MIMO技術(shù)
▪ D-BLAST
▪ V-BLAST
▪ T-BLAST
6 技術(shù)分類
▪ 空分復(fù)用
▪ 空間分集
▪ 波束成型
▪ 預(yù)編碼
7 研究狀況
8 重大歷程
9 MIMO應(yīng)用
10 MIMO技術(shù)的應(yīng)用
▪ 下行傳輸
▪ 上行傳輸
11 自適應(yīng)MIMO
12 天線配置

MIMO技術(shù)最早是由馬可尼于1908年提出的，它利用發(fā)射端的多個(gè)天線各自獨(dú)立發(fā)送信號(hào)，同時(shí)在接收端用多個(gè)天線接收并恢復(fù)原信息，就可以實(shí)現(xiàn)以更小的代價(jià)達(dá)到更高的用戶速率。

原理

多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）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，使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。
圖1 MIMO系統(tǒng)的一個(gè)原理框圖

圖1是MIMO系統(tǒng)的一個(gè)原理框圖。發(fā)射端通過空時(shí)映射將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)映射到多根天線上發(fā)送出去，接收端將各根天線接收到的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)譯碼從而恢復(fù)出發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。根據(jù)空時(shí)映射方法的不同，MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：空間分集和空間復(fù)用?？臻g分集是指利用多根發(fā)送天線將具有相同信息的信號(hào)通過不同的路徑發(fā)送出去，同時(shí)在接收機(jī)端獲得同一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的多個(gè)獨(dú)立衰落的信號(hào)，從而獲得分集提高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用一根發(fā)射天線n 根接收天線，發(fā)送信號(hào)通過n 個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為n 。對(duì)于發(fā)射分集技術(shù)來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天線n 根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對(duì)之間的路徑增益是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。目前在MIMO系統(tǒng)中常用的空間分集技術(shù)主要有空時(shí)分組碼（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技術(shù)。STBC是基于發(fā)送分集的一種重要編碼形式，其中最基本的是針對(duì)二天線設(shè)計(jì)的Alamouti方案，具體編碼過程如圖2所示。

圖2　Alamouti 編碼過程示意

可以發(fā)現(xiàn)STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天線上面要傳輸?shù)男盘?hào)矢量相互正交，如圖2-19中x 1和x 2的內(nèi)積為0，這時(shí)接收端就可以利用發(fā)送端信號(hào)矢量的正交性恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。使用STBC技術(shù)，能夠達(dá)到滿分集的效果，即在具有M根發(fā)射天線N 根接收天線的系統(tǒng)中采用STBC技術(shù)時(shí)最大分集增益為MN。波束成形技術(shù)是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效提高天線增益。為了能夠最大化指向用戶的波束的信號(hào)強(qiáng)度，通常波束成形技術(shù)需要計(jì)算各個(gè)發(fā)射天線上發(fā)送數(shù)據(jù)的相位和功率，也稱之威波束成形矢量。常見的波束成形矢量計(jì)算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根發(fā)射天線采用波束成形技術(shù)可以獲得的最大發(fā)送分集增益為M?？臻g復(fù)用技術(shù)是將要傳送的數(shù)據(jù)可以分成幾個(gè)數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進(jìn)行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。常用的空間復(fù)用方法是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的垂直分層空時(shí)碼，即V-BLAST技術(shù)，如圖3所示。

圖3　V-BLAST 系統(tǒng)發(fā)送示意

 

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系統(tǒng)是一項(xiàng)運(yùn)用于802.11n的核心技術(shù)。
802.11n是IEEE繼802.11b\a\g后全新的無線局域網(wǎng)技術(shù)，速度可達(dá)600Mbps。同時(shí)，專有MIMO技術(shù)可改進(jìn)已有802.11a/b/g網(wǎng)絡(luò)的性能。該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。
優(yōu)點(diǎn)編輯
無線電發(fā)送的信號(hào)被反射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多份信號(hào)。每份信號(hào)都是一個(gè)空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個(gè)空間流。MIMO允許多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空間方位的信號(hào)。MIMO 技術(shù)的應(yīng)用，使空間成為一種可以用于提高性能的資源，并能夠增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。
提高信道的容量
MIMO接入點(diǎn)到MIMO客戶端之間，可以同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流，信道容量可以隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。
提高信道的可靠性
利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益及空間分集增益，可以利用多天線來抑制信道衰落。多天線系統(tǒng)的應(yīng)用，使得并行數(shù)據(jù)流可以同時(shí)傳送，可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。
潛力編輯
通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對(duì)多徑無線信道來說的。傳輸信息流s(k)經(jīng)過空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci(k)，I=1，……，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。
特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。
MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。
系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對(duì)于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
其中B為信號(hào)帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時(shí)，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量?jī)H隨天線數(shù)的對(duì)數(shù)增加而增加。相對(duì)而言，多入多出對(duì)于提高無線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。
理論容量與天線數(shù)關(guān)系：

圖4-4

（1）圖4-4所示的四條信道容量曲線的發(fā)射天線數(shù)量 都為4，以接收天線數(shù)量 為橫軸，信噪比依次為0dB、5dB、10dB、15dB。從這四條不同的曲線我們可以得出結(jié)論：
1．發(fā)射天線數(shù)量一定，信噪比不變時(shí)信道容量隨著接收天線數(shù)的增多而增大，且增大的幅度越來越小。
2．發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量均相同，信道容量隨信噪比的增大而增大。
（2）圖4-5所示的四條信道容量曲線的接收天線數(shù)量 都為4，以發(fā)射天線數(shù)量 為橫軸，信噪比分別為0dB、5dB、10dB、15dB。從這四條不同的曲線我們可以得出結(jié)論：
1．接收天線數(shù)量一定，信噪比不變時(shí)信道容量隨著發(fā)射天線數(shù)的增多而增大，增大的幅度會(huì)越來越小。
2．當(dāng)發(fā)射天線數(shù)大于接收天線數(shù)時(shí)，信道容量增大的幅度會(huì)大幅度減緩，當(dāng) >10以后，信道容量基本上就沒有多大變化。
由上述結(jié)論我們可以看到信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，證明了MIMO信道系統(tǒng)理論的正確性。

發(fā)展歷史

MIMO

實(shí)際上多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)由來已久，早在1908年馬可尼就提出用它來抗衰落。在20世紀(jì)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)的奠基工作則是上世紀(jì)90年代由AT&TBell實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者完成的。
1990年代，全世界無線通信領(lǐng)域均針對(duì)多天線系統(tǒng)進(jìn)行研究，希望創(chuàng)作出能指向接收者之波束成型技術(shù)，亦即是所謂智慧型天線 —— 一種能使波束聰明地追蹤接收者（即移動(dòng)電話）的技術(shù)，如同有個(gè)人持著天線到處移動(dòng)，就像一道自手電筒射出的光束可追蹤一位在黑暗中移動(dòng)的人一樣。智慧型天線借由波束對(duì)其指向（亦即對(duì)目標(biāo)接收者）的相長(zhǎng)干涉（constructive interference）及同時(shí)間該波束對(duì)目標(biāo)接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference）來增加信號(hào)增益，以實(shí)現(xiàn)上述智慧型天線的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)于此發(fā)送單位上的多天線間，采用一較窄的天線間距來實(shí)現(xiàn)此波束。一般以發(fā)送信號(hào)之一半波長(zhǎng)作為實(shí)體的天線間距，以滿足空間上的采樣定理且避免旁瓣輻射（grating lobes），亦即空間上的混疊。
波束成型技術(shù)的缺點(diǎn)乃是在都市的環(huán)境中，信號(hào)容易朝向建筑物或移動(dòng)的車輛等目標(biāo)分散，因而模糊其波束的集中特性（即相長(zhǎng)干涉），喪失多數(shù)的信號(hào)增益及減少干擾的特性。然而此項(xiàng)缺點(diǎn)卻隨著空間分集及空間多工的技術(shù)在 1990 年代末的發(fā)展，而突然轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)。這些方法利用多徑（multipath propagation）現(xiàn)象來增加數(shù)據(jù)吞吐量、傳送距離，或減少比特錯(cuò)誤率。這些型態(tài)的系統(tǒng)在選擇實(shí)體的天線間距時(shí)，通常以大于被發(fā)送信號(hào)的波長(zhǎng)的距離為實(shí)作，以確保 MIMO 頻道間的低關(guān)聯(lián)性及高分集階數(shù)（diversity order）。
復(fù)合技術(shù)

MIMO 此科技與平坦衰落信道（flat fading channels）兼用時(shí)最佳，以降低接收端信道均衡器之復(fù)雜度及維持接收端的低功率耗損，也因此 MIMO 多半與 OFDM 結(jié)合為復(fù)合技術(shù)。MIMO-OFDM同時(shí)為IEEE 802.16及 IEEE 802.11n HT（High-Throughput）的采用標(biāo)準(zhǔn)之一。WCDMA 的系統(tǒng)，如 HSDPA，亦進(jìn)行將 MIMO 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)作。

MIMO技術(shù)

所謂的MIMO，就字面上看到的意思，是Multiple Input Multiple Output（多入多出）的縮寫，大部分您所看到的說法，都是指無線網(wǎng)絡(luò)訊號(hào)通過多重天線進(jìn)行同步收發(fā)，所以可以增加資料傳輸率。
然而比較正確的解釋，應(yīng)該是說，網(wǎng)絡(luò)資料通過多重切割之后，經(jīng)過多重天線進(jìn)行同步傳送，由于無線訊號(hào)在傳送的過程當(dāng)中，為了避免發(fā)生干擾起見，會(huì)走不同的反射或穿透路徑，因此到達(dá)接收端的時(shí)間會(huì)不一致。為了避免資料不一致而無法重新組合，因此接收端會(huì)同時(shí)具備多重天線接收，然后利用DSP重新計(jì)算的方式，根據(jù)時(shí)間差的因素，將分開的資料重新作組合，然后傳送出正確且快速的資料流。
由于傳送的資料經(jīng)過分割傳送，不僅單一資料流量降低，可拉高傳送距離，又增加天線接收范圍，因此MIMO技術(shù)不僅可以增加既有無線網(wǎng)絡(luò)頻譜的資料傳輸速度，而且又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是，還能增加訊號(hào)接收距離。所以不少強(qiáng)調(diào)資料傳輸速度與傳輸距離的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，紛紛開始拋開對(duì)既有Wi-Fi聯(lián)盟的兼容性要求，而采用MIMO的技術(shù)，推出高傳輸率的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。
MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復(fù)用。傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號(hào)通過不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機(jī)端可以獲得數(shù)據(jù)符號(hào)多個(gè)獨(dú)立衰落的復(fù)制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線n根接收天線，發(fā)送信號(hào)通過n個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差概率可以減小到 ，單天線衰落信道的平均誤差概率為 。對(duì)于發(fā)射分集技術(shù)來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對(duì)之間的路徑增益是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。智能天線技術(shù)也是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效的提高天線增益，降低用戶間的干擾。廣義上來說，智能天線技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)。
分集技術(shù)主要用來對(duì)抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來增加通信中的自由度(degrees of freedom)。從本質(zhì)上來講，如果每對(duì)發(fā)送接收天線之間的衰落是獨(dú)立的，那么可以產(chǎn)生多個(gè)并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流，可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率，這被稱為空間復(fù)用。需要特別指出的是在高SNR的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時(shí)對(duì)于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對(duì)之間是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落的。
根據(jù)子數(shù)據(jù)流與天線之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，空間多路復(fù)用系統(tǒng)大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

D-BLAST

D-BLAST最先由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Gerard J. Foschini提出。原始數(shù)據(jù)被分為若干子流，每個(gè)子流之間分別進(jìn)行編碼，但子流之間不共享信息比特，每一個(gè)子流與一根天線相對(duì)應(yīng)，但是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變，如圖1.b所示，它的每一層在時(shí)間與空間上均呈對(duì)角線形狀，稱為D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好處是，使得所有層的數(shù)據(jù)可以通過不同的路徑發(fā)送到接收機(jī)端，提高了鏈路的可靠性。其主要缺點(diǎn)是，由于符號(hào)在空間與時(shí)間上呈對(duì)角線形狀，使得一部分空時(shí)單元被浪費(fèi)，或者增加了傳輸數(shù)據(jù)的冗余。如圖1.b所示，在數(shù)據(jù)發(fā)送開始時(shí)，有一部分空時(shí)單元未被填入符號(hào)(對(duì)應(yīng)圖中右下角空白部分)，為了保證D-BLAST的空時(shí)結(jié)構(gòu)，在發(fā)送結(jié)束肯定也有一部分空時(shí)單元被浪費(fèi)。如果采用burst模式的數(shù)字通信，并且一個(gè)burst的長(zhǎng)度大于M(發(fā)送天線數(shù)目)個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔 ，那么burst的長(zhǎng)度越小，這種浪費(fèi)越嚴(yán)重。它的數(shù)據(jù)檢測(cè)需要一層一層的進(jìn)行，如圖1.b所示：先檢測(cè)c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接著b0、b1和b2……
 

V-BLAST

另外一種簡(jiǎn)化了的BLAST結(jié)構(gòu)同樣最先由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出。它采用一種直接的天線與層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即編碼后的第k個(gè)子流直接送到第k根天線，不進(jìn)行數(shù)據(jù)流與天線之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的周期改變。如圖1.c所示，它的數(shù)據(jù)流在時(shí)間與空間上為連續(xù)的垂直列向量，稱為V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中數(shù)據(jù)子流與天線之間只是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在檢測(cè)過程中，只要知道數(shù)據(jù)來自哪根天線即可以判斷其是哪一層的數(shù)據(jù)，檢測(cè)過程簡(jiǎn)單。
（圖1）

T-BLAST

考慮到D-BLAST以及V-BALST模式的優(yōu)缺點(diǎn)，一種不同于D-DBLAST與V-BLAST的空時(shí)編碼結(jié)構(gòu)被提出：T-BLAST。等文獻(xiàn)分別提及這種結(jié)構(gòu)。它的層在空間與時(shí)間上呈螺紋(Threaded)狀分布，如圖2所示。

原始數(shù)據(jù)流被多路分解為若干子流之后，每個(gè)子流被對(duì)應(yīng)的天線發(fā)送出去，并且這種對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變，與D-BLAST系統(tǒng)不同的是，在發(fā)送的初始階段并不是只有一根天線進(jìn)行發(fā)送，而是所有天線均進(jìn)行發(fā)送，使得單從一個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔 來看，它的空時(shí)分布很像V-BALST，只不過在不同的時(shí)間間隔中，子數(shù)據(jù)流與天線的對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變。更普通的T-BLAST結(jié)構(gòu)是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系不是周期性改變，而是隨機(jī)改變。這樣T-BLAST不僅可以使得所有子流共享空間信道，而且沒有空時(shí)單元的浪費(fèi)，并且可以使用V-BLAST檢測(cè)算法進(jìn)行檢測(cè)。

技術(shù)分類

空分復(fù)用

（spatial multiplexing）工作在MIMO天線配置下，能夠在不增加帶寬的條件下，相比SISO系統(tǒng)成倍地提升信息傳輸速率，從而極大地提高了頻譜利用率。在發(fā)射端，高速率的數(shù)據(jù)流被分割為多個(gè)較低速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同的發(fā)射天線上在相同頻段上發(fā)射出去。如果發(fā)射端與接收端的天線陣列之間構(gòu)成的空域子信道足夠不同，即能夠在時(shí)域和頻域之外額外提供空域的維度，使得在不同發(fā)射天線上傳送的信號(hào)之間能夠相互區(qū)別，因此接收機(jī)能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不需付出額外的頻率或者時(shí)間資源?？臻g復(fù)用技術(shù)在高信噪比條件下能夠極大提高信道容量，并且能夠在“開環(huán)”，即發(fā)射端無法獲得信道信息的條件下使用。Foschini等人提出的“貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)”（BLAST）是典型的空間復(fù)用技術(shù)。
 

空間分集（spatial diversity）：利用發(fā)射或接收端的多根天線所提供的多重傳輸途徑發(fā)送相同的資料，以增強(qiáng)資料的傳輸品質(zhì)。
波束成型（beamforming）：借由多根天線產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，增加信?hào)品質(zhì)，并減少與其他用戶間的干擾。
預(yù)編碼（precoding）：預(yù)編碼主要是通過改造信道的特性來實(shí)現(xiàn)性能的提升。
以上 MIMO 相關(guān)技術(shù)并非相斥，而是可以相互配合應(yīng)用的，如一個(gè) MIMO 系統(tǒng)即可以包含空分復(fù)用和分集的技術(shù)。

研究狀況

在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面已有一批文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)涉及相當(dāng)廣泛的內(nèi)容。但是由于無線移動(dòng)通信MIMO信道是一個(gè)時(shí)變、非平穩(wěn)多入多出系統(tǒng)，尚有大量問題需要研究。比如說，各文獻(xiàn)大多假定信道為分段-恒定衰落信道。這對(duì)于寬帶信號(hào)的4G系統(tǒng)及室外快速移動(dòng)系統(tǒng)來說是不夠的，因此必須采用復(fù)雜的模型進(jìn)行研究。已有不少文獻(xiàn)在進(jìn)行這方面的工作，即對(duì)信道為頻率選擇性衰落和移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)情況進(jìn)行研究。再有，在基本文獻(xiàn)中，均假定接收機(jī)精確已知多徑信道參數(shù)，為此，必須發(fā)送訓(xùn)練序列對(duì)接收機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練。但是若移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度過快，就使得訓(xùn)練時(shí)間太短，這樣快速信道估計(jì)或盲處理就成為重要的研究?jī)?nèi)容。
另外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步。實(shí)際系統(tǒng)研究的一個(gè)重要問題是在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)多天線和多路接收，學(xué)者們正大力進(jìn)行這方面的研究。由于移動(dòng)終端設(shè)備要求體積小、重量輕、耗電小，因而還有大量工作要做。目前各大公司均在研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
Bell實(shí)驗(yàn)室的BLAST系統(tǒng)[4]是最早研制的MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9GHz，發(fā)射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。頻譜利用率達(dá)到了25.9bits/(Hz·s)。但該系統(tǒng)僅對(duì)窄帶信號(hào)和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了研究，對(duì)于在3G、4G應(yīng)用尚有相當(dāng)大距離。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)受到衰落。在上述具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，每一基臺(tái)各設(shè)置2副發(fā)送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設(shè)置1副發(fā)送天線和3副接收天線，即下行通路設(shè)置2×3天線、上行通路設(shè)置1×3天線。這樣與“單輸入/單輸出天線”SISO相比，傳輸上取得了10～20dB的好處，相應(yīng)地加大了系統(tǒng)容量。而且，基臺(tái)的兩副發(fā)送天線于必要時(shí)可以用來傳輸不同的數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶傳送的數(shù)據(jù)速率可以加倍。
朗訊科技的貝爾實(shí)驗(yàn)室分層的空時(shí)（BLAST）技術(shù)是移動(dòng)通信方面領(lǐng)先的MIMO應(yīng)用技術(shù)，是其智能天線的進(jìn)一步發(fā)展。BLAST技術(shù)就其原理而言，是利用每對(duì)發(fā)送和接收天線上信號(hào)特有的“空間標(biāo)識(shí)”，在接收端對(duì)其進(jìn)行“恢復(fù)”。利用BLAST技術(shù)，如同在原有頻段上建立了多個(gè)互不干擾、并行的子信道，并利用先進(jìn)的多用戶檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)準(zhǔn)確高效地傳送用戶數(shù)據(jù)，其結(jié)果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLAST技術(shù)證明，在天線發(fā)送和接收端同時(shí)采用多天線陣，更能夠充分利用多徑傳播，達(dá)到“變廢為寶”的效果，提高系統(tǒng)容量。理論研究業(yè)已證明，采用BLAST技術(shù)，系統(tǒng)頻譜效率可以隨天線個(gè)數(shù)成線性增長(zhǎng)，也就是說，只要允許增加天線個(gè)數(shù)，系統(tǒng)容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術(shù)有著非常大的潛力。鑒于對(duì)于無線通信理論的突出貢獻(xiàn)，BLAST技術(shù)獲得了2002年度美國ThomasEdison（愛迪生）發(fā)明獎(jiǎng)。

重大歷程

2002年10月世界上第一顆BLAST芯片在朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)室問世，貝爾實(shí)驗(yàn)室研究小組設(shè)計(jì)小組宣布推出了業(yè)內(nèi)第一款結(jié)合了貝爾實(shí)驗(yàn)室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技術(shù)的芯片，這一芯片支持最高4×4的天線布局，可處理的最高數(shù)據(jù)速率達(dá)到19.2Mbps。該技術(shù)用于移動(dòng)通信，BLAST芯片使終端能夠在3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中接收每秒19.2兆比特的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在，朗訊科技已經(jīng)開始將此BLAST芯片應(yīng)用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同時(shí)還計(jì)劃授權(quán)終端制造商使用該BLAST芯片，以提高無線3G數(shù)據(jù)終端支持高速數(shù)據(jù)接入的能力。
2003年8月AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi芯片組，并稱其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技術(shù)的批量上市產(chǎn)品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術(shù)，將現(xiàn)在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同時(shí)保持與所有常用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。該產(chǎn)品集成兩片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一種可伸縮結(jié)構(gòu)，使制造商可以只使用一片RF芯片實(shí)現(xiàn)單天線系統(tǒng)，或增加其他RF芯片提升性能。該芯片支持所有的802.11 a、b和g模式，包含IEEE 802.11工作組推出最新標(biāo)準(zhǔn)(包括TGi安全和TGe質(zhì)量的服務(wù)功能)。
Airgo的芯片組和目前的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持802.11a, "b,"和"g"模式，使用三個(gè)5-GHz和三個(gè)2.4-GHz天線，使用Airgo芯片組的無線設(shè)備可以和以前的802.11設(shè)備通訊，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設(shè)備通訊的同時(shí)還可以以108Mbps的速度和Airgo的設(shè)備通訊。
 

MIMO應(yīng)用

無線寬帶移動(dòng)通信

為了提高系統(tǒng)容量，下一代的無線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)將會(huì)采用MIMO技術(shù)，即在基站端放置多個(gè)天線，在移動(dòng)臺(tái)也放置多個(gè)天線，基站和移動(dòng)臺(tái)之間形成MIMO通信鏈路。應(yīng)用MIMO技術(shù)的無線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類：一類是多個(gè)基站天線集中排列形成天線陣列，放置于覆蓋小區(qū)，這一類可以稱為集中式MIMO；另一類是基站的多個(gè)天線分散放置在覆蓋小區(qū)，可以稱為分布式MIMO。

傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

MIMO技術(shù)可以比較簡(jiǎn)單地直接應(yīng)用于傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，將基站的單天線換為多個(gè)天線構(gòu)成的天線陣列?；就ㄟ^天線陣列與小區(qū)內(nèi)的具有多個(gè)天線的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行MIMO通信。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度看，這樣的MIMO系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單入單出(SISO)蜂窩通信系統(tǒng)相比并沒有根本的區(qū)別。

和傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)相結(jié)合

傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗，能夠在小區(qū)內(nèi)形成良好的系統(tǒng)覆蓋，解決小區(qū)內(nèi)的通信死角，提高通信服務(wù)質(zhì)量。最近在MIMO技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)與MIMO技術(shù)相結(jié)合可以提高系統(tǒng)容量，這種新的分布式MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——分布式無線通信系統(tǒng)(DWCS)[8]成為MIMO技術(shù)的重要研究熱點(diǎn)。
在采用分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)中，分散在小區(qū)內(nèi)的多個(gè)天線通過光纖和基站處理器相連接。具有多天線的移動(dòng)臺(tái)和分散在附近的基站天線進(jìn)行通信，與基站建立了MIMO通信鏈路。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅具備了傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，減少了路徑損耗，克服了陰影效應(yīng)，同時(shí)還通過MIMO技術(shù)顯著提高了信道容量。與集中式MIMO相比，DWCS的基站天線之間距離較遠(yuǎn)，不同天線與移動(dòng)臺(tái)之間形成的信道衰落可以看作完全不相關(guān)，信道容量更大?？傮w上說，分布式MIMO系統(tǒng)的信道容量更大，系統(tǒng)功耗更小，系統(tǒng)覆蓋性能更好，系統(tǒng)具有更好的擴(kuò)展性和靈活性。
分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)也帶來了一些新問題。移動(dòng)臺(tái)和小區(qū)內(nèi)鄰近的天線建立的MIMO鏈路，由于基站不同天線的位置不同，它們距離移動(dòng)臺(tái)的距離不同，使得基站端的多個(gè)天線的信號(hào)到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的延時(shí)也不同，因此帶來新的研究問題。目前在這方面研究較多的是進(jìn)行容量分析。除此之外的研究?jī)?nèi)容還包括：具體的同步技術(shù)、信道估計(jì)、天線選擇、發(fā)射方案、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)等，這些問題有待深入研究。

無線通信領(lǐng)域
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)中加入了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技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。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(duì)的巨大挑戰(zhàn)。
雷達(dá)領(lǐng)域
MIMO技術(shù)同樣也應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域，主要通過多個(gè)天線發(fā)射不同的正交波形，同時(shí)覆蓋較大空域，并利用長(zhǎng)時(shí)間相干積累來獲得較高的信噪比。[1]

MIMO技術(shù)的應(yīng)用

下行傳輸

LTER8/R9版本中下行引入了8種MIMO傳輸模式，其中LTEFDD常用的MIMO傳輸模式為模式1到模式6（TM1～TM6），而模式7（TM7）和模式8（TM8）主要應(yīng)用于TDLTE系統(tǒng)中，下面是不同傳輸模式的簡(jiǎn)要說明。
–模式1：?jiǎn)翁炀€端口傳輸（端口0）。
–模式2：開環(huán)發(fā)射分集。
–模式3：大延遲CDD空間復(fù)用與開環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。
–模式4：閉環(huán)空間復(fù)用與開環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。
–模式5：多用戶MIMO與開環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。
–模式6：?jiǎn)螌娱]環(huán)空間復(fù)用與開環(huán)發(fā)射分集自適應(yīng)。
–模式7：?jiǎn)瘟鞑ㄊx形（端口5）與開環(huán)發(fā)射分集或單天線端口傳輸（端口0）自適應(yīng)。
–模式8：雙流波束賦形（端口7和端口8）或單流波束賦形（端口7或端口8）與開環(huán)發(fā)射分集或單天線端口傳輸（端口0）自適應(yīng)。
圖6所示是LTE系統(tǒng)中下行物理層處理過程，其中MIMO技術(shù)主要涉及到層映射和預(yù)編碼兩部分處理過程。層映射主要是根據(jù)傳輸?shù)拇a字（單碼字或雙碼字）和傳輸層數(shù)（取決于發(fā)射端天線數(shù)量），將數(shù)據(jù)流映射到不同的傳輸層。預(yù)編碼的主要目的是使傳輸?shù)男盘?hào)更好地匹配信道條件，以獲得更好的傳輸質(zhì)量。預(yù)編碼有基于碼本和非碼本兩種方式。LTEFDD主要使用基于碼本的預(yù)編碼方式，主要是因?yàn)長(zhǎng)TEFDD工作時(shí)上下行鏈路使用不同的頻率，當(dāng)有較大的雙工間隔時(shí)，不能夠直接使用反向信道的測(cè)量來估計(jì)正向信道的條件，所以主要依靠終端的反饋來輔助預(yù)編碼。而TDLTE因?yàn)榭梢允褂眯诺阑ヒ仔?，所以更容易?shí)現(xiàn)基于非碼本的預(yù)編碼工作方式。下面對(duì)不同的傳輸技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

圖6 LTE系統(tǒng)下行物理層的處理過程

1．開環(huán)發(fā)射分集
當(dāng)終端處于無線信號(hào)質(zhì)量較差的場(chǎng)景或終端移動(dòng)速度較快時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握下行信道的質(zhì)量狀況較為困難，這時(shí)使用開環(huán)發(fā)射分集技術(shù)可以有效對(duì)抗信道衰落，提高接收端的信噪比。
開環(huán)發(fā)射分集工作方式采用單碼字傳輸，也就是將一路數(shù)據(jù)流同時(shí)映射到2層或者4層進(jìn)行傳輸，在接收端將多個(gè)發(fā)射天線的信號(hào)進(jìn)行合并處理獲得額外分集增益，具體的層映射過程參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。
在LTE系統(tǒng)中，下行鏈路使用OFDM技術(shù)，因此為了適應(yīng)頻域信號(hào)處理的要求而采用了SFTD（SpaceFrequencyTransmitDiversity，空頻發(fā)射分集）工作方式。SFTD基于SFBC（SpaceFrequencyBlockCoding，空頻塊編碼）技術(shù)。
對(duì)于Alamouti編碼，一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)發(fā)射天線數(shù)目大于2時(shí)，理論上證明不存在正交的可用于全速率傳輸?shù)木幋a方式，因此對(duì)于4天線開環(huán)發(fā)射分集，采用了結(jié)合SFTD和FSTD（FrequencySwitchTransmitDiversity，頻率交換發(fā)射分集）的工作方式（如圖8所示），實(shí)際上是將4個(gè)天線分為兩組，分別為第一組天線（天線端口0、2）和第二組天線（天線端口1、3），每組天線內(nèi)采用SFTD工作方式，天線組間采用FSTD工作方式。采用這種在天線間交織的工作方式，主要原因是天線端口0、1的參考信號(hào)密度較大，天線端口2、3的參考信號(hào)密度較小，使用天線分組交織的工作方式可以保證兩組SFBC碼塊有較平衡的解碼性能。開環(huán)發(fā)射分集預(yù)編碼過程具體方案可以參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

圖7 兩天線SFTD工作原理示意

圖8 四天線SFTD+FSTD工作原理示意

2．空間復(fù)用
當(dāng)終端處于無線信號(hào)質(zhì)量較好且存在豐富的多徑資源的場(chǎng)景時(shí)，則可以在MIMO系統(tǒng)的不同信道間共享高信噪比，為用戶提供并行傳輸多路數(shù)據(jù)的服務(wù)，有效提高單用戶的數(shù)據(jù)吞吐率和系統(tǒng)的吞吐量。假設(shè)MIMO系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)有NT個(gè)發(fā)射天線，接收機(jī)有NR個(gè)接收天線，根據(jù)多天線理論可以知道，接收端的信噪比與單天線傳輸相比最大可以提高NT×NR倍，因此在功率和帶寬不受限的條件下用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率可以得到顯著提高。式（4）為單天線系統(tǒng)中的信道容量理論計(jì)算方法，當(dāng)信噪比提高NT×NR倍時(shí)，利用原有的傳輸帶寬，可以近似認(rèn)為信道容量提高log2(NT×NR)倍。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，MIMO信道數(shù)量可能會(huì)少于發(fā)射端或接收端最少天線數(shù)目，假設(shè)為M，M≤min{NT，NR}，則實(shí)際MIMO系統(tǒng)的信道容量可以參考式5的計(jì)算方法。3GPPR8/R9版本標(biāo)準(zhǔn)中制定了3種空間復(fù)用工作方式，分別是大延遲CCD空間復(fù)用、閉環(huán)空間復(fù)用和單層閉環(huán)空間復(fù)用。下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)單的介
 

　　
3．大延遲CDD空間復(fù)用
大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)是將CDD（CyclicDelayDiversity，循環(huán)延遲分集）技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用。CDD技術(shù)可以認(rèn)為是分集技術(shù)的一種，通過在不同的天線端口人為增加不同的時(shí)延，相當(dāng)于進(jìn)行了信道無關(guān)的頻率選擇性預(yù)編碼。這樣的預(yù)編碼可以使傳輸信號(hào)和實(shí)際信道匹配得較好，從而有效提高接收端信噪比，但也有可能使傳輸信號(hào)與信道矩陣失配而降低接收端信噪比，所以CDD技術(shù)的性能和時(shí)延的選擇有直接關(guān)系。LTE系統(tǒng)中采用支持較大延遲的CDD技術(shù)，保證在一定的傳輸帶寬內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的信噪比變化，使得各層的信號(hào)能夠有相近的信道質(zhì)量，如果終端側(cè)使用MMSE接收機(jī)就能夠獲得一定增益。CDD技術(shù)的工作原理如圖9所示。

圖9 兩天線CDD技術(shù)工作示意
大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)采用雙碼字傳輸，也就是兩路不同的數(shù)據(jù)流同時(shí)映射到2～4層進(jìn)行傳輸，高信噪比保證了使用多碼字時(shí)的傳輸質(zhì)量，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。具體層映射過程參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。
大延遲CDD空間復(fù)用技術(shù)的預(yù)編碼過程見式（6）。其中W是基于碼本的預(yù)編碼矩陣。因?yàn)榇笱舆tCDD空間復(fù)用是一種開環(huán)空間復(fù)用，也就是終端反饋時(shí)可以反饋CQI（ChannelQualityIndicator，信道質(zhì)量指示）和RI（RankIndicator，秩指示）信息，但不反饋PMI（PrecodingMatrixIndicator，預(yù)編碼矩陣指示）信息，因此預(yù)編碼矩陣W是由網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行選擇的。D是延時(shí)矩陣，U是單位矩陣，通過D和U矩陣可以實(shí)現(xiàn)不同層信號(hào)間的均衡。W、D和U矩陣的具體取值參考下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

公式6
4．閉環(huán)空間復(fù)用
閉環(huán)空間復(fù)用可以采用單碼字或雙碼字傳輸。單碼字傳輸對(duì)應(yīng)模式6，也就是單層閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)。雙碼字傳輸對(duì)應(yīng)模式4，也就是常說的閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)。對(duì)于單層閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)，一路數(shù)據(jù)流映射到一層傳輸，對(duì)應(yīng)于RI=1的情況，這時(shí)工作原理類似于基于小區(qū)公共參考信號(hào)的波束賦形，可以有效提高小區(qū)的覆蓋能力。對(duì)于雙層閉環(huán)空間復(fù)用技術(shù)，兩路不同的數(shù)據(jù)流同時(shí)可以映射到2～4層，用于信噪比條件較好且終端移動(dòng)速度較低的場(chǎng)景，可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率。具體層映射過程參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。
閉環(huán)空間復(fù)用和開環(huán)空間復(fù)用的主要區(qū)別是閉環(huán)空間復(fù)用需要終端反饋PMI信息，PMI信息的內(nèi)容是終端從給定的預(yù)編碼矩陣中選擇的一個(gè)合適的W矩陣。網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)終端反饋的PMI信息選擇合適的預(yù)編碼矩陣W（可以與終端反饋的不同），這樣可以提高預(yù)編碼的準(zhǔn)確程度，帶來一定的增益。但是在終端移動(dòng)速度較快時(shí)，反饋的延時(shí)可能造成反饋的信息相對(duì)滯后，反而會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的性能。閉環(huán)空間復(fù)用的預(yù)編碼過程見式7，具體的W矩陣取值參見下行鏈路傳輸技術(shù)中的物理信道處理。

公式7
5．多用戶MIMO
空間復(fù)用技術(shù)的另一種應(yīng)用方式就是在小區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶間實(shí)現(xiàn)高信噪比的共享，也就是所謂的MU-MIMO（Multi-UserMIMO，多用戶MIMO）技術(shù)。MU-MIMO的工作原理是網(wǎng)絡(luò)側(cè)使用相同的時(shí)頻資源同時(shí)向不同的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，通過空間來分隔這些用戶，也就是類似于SDMA（SpatialDivisionMultipleAccess，空分多址）接入技術(shù)。如圖8所示，左側(cè)是單用戶MIMO工作方式，兩路數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送給某一個(gè)用戶，顯著提高該用戶的峰值吞吐量；右側(cè)是MU-MIMO工作方式，兩路數(shù)據(jù)分別發(fā)送給不同的用戶，有助于提高小區(qū)平均吞吐量。處于MU-MIMO工作方式的用戶間信道有較大的相關(guān)性，因此需要保證配對(duì)用戶間有較好的空間隔離度，需要通過較窄的傳輸波束對(duì)準(zhǔn)不同的終端來降低對(duì)其他用戶的干擾。因?yàn)檫@時(shí)信道間的相關(guān)性很強(qiáng)，也可以認(rèn)為是RI=1波束賦形。對(duì)于MU-MIMO技術(shù)，最關(guān)鍵的是如何找到合適的配對(duì)終端，這些終端間需要有非常好的空間隔離性，以及同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，這不僅對(duì)基站側(cè)的調(diào)度器提出了很高的要求，同時(shí)也需要小區(qū)內(nèi)有較多的用戶時(shí)才可能滿足MU-MIMO工作方式的場(chǎng)景。
3GPPR8/R9版本標(biāo)準(zhǔn)中定義的模式5工作方式是一種基于小區(qū)參考信號(hào)的MU-MIMO工作方式，同時(shí)基于碼本傳輸，具體的預(yù)編碼過程、碼本選擇和閉環(huán)空間復(fù)用過程一致，每個(gè)配對(duì)用戶占用一層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，總共可以同時(shí)傳輸兩層數(shù)據(jù)，也就是有兩個(gè)配對(duì)用戶。

圖10 多用戶MIMO工作示意
6．波束賦形
波束賦形是TD-LTE系統(tǒng)中常用的多天線傳輸方式，需要基站配置天線陣元間距較小的陣列天線。波束賦形的操作和線性預(yù)編碼過程非常相似，但工作原理有一定區(qū)別，波束賦形主要依靠信道間的強(qiáng)相關(guān)性以及電磁波的干涉原理，在天線陣列發(fā)射端的不同天線陣子處合理控制發(fā)射信號(hào)的幅度和相位來實(shí)現(xiàn)具有特定輻射方向的發(fā)射波形，這樣有助于提高覆蓋范圍和特定用戶的信噪比，同時(shí)也可以減小對(duì)其他用戶的干擾。
3GPPR8/R9版本標(biāo)準(zhǔn)中定義的模式7和模式8分別對(duì)應(yīng)單層波束賦形和雙層波束賦形操作。波束賦形操作不需要終端進(jìn)行特別的反饋，系統(tǒng)可以通過對(duì)終端的上行鏈路進(jìn)行測(cè)量來確定下行鏈路發(fā)射信號(hào)的波束賦形參數(shù)，但是需要發(fā)射特定的基于終端信息的專用導(dǎo)頻信號(hào)，使用專用導(dǎo)頻信號(hào)可以減少公共導(dǎo)頻信號(hào)的占用，保證在更多天線數(shù)目（如大于4個(gè)）情況下能夠使用波束賦形技術(shù)。
 

上行傳輸

對(duì)于R8/R9的LTE終端，主要配置為雙天線，但是采用單發(fā)雙收的工作模式。上行鏈路MIMO的工作方式主要包括以下幾種：
–單天線傳輸：采用上行單天線傳輸方式，使用固定天線發(fā)送（端口0）。
–開環(huán)發(fā)送天線選擇分集：采用上行單天線傳輸方式，終端選擇天線進(jìn)行上行傳輸。
–閉環(huán)發(fā)送天線選擇分集：網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過下行物理控制信道上承載的下行控制信息通知終端采用特定天線進(jìn)行上行傳輸。
–上行MU-MIMO：網(wǎng)絡(luò)側(cè)能夠根據(jù)信道條件變化自適應(yīng)地選擇多個(gè)終端共享相同的時(shí)頻資源進(jìn)行上行傳輸。
在3GPPR8/R9版本中，上行未使用空間復(fù)用技術(shù)，主要是考慮到射頻實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、MIMO信道非相關(guān)性實(shí)現(xiàn)較難、天線數(shù)量越多終端耗電越大、與其他無線通信系統(tǒng)（如GPS，藍(lán)牙等）的干擾問題嚴(yán)重等因素。以射頻實(shí)現(xiàn)為例，若要保證終端上行可以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用技術(shù)，一般情況下要求天線間至少要保證半個(gè)波長(zhǎng)的空間隔離。假如此時(shí)上行傳輸使用2.6GHz的載波，空間隔離約為5cm，同市面的手持終端尺寸可比擬，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)；但是當(dāng)載波低到1GHz以下，如700MHz時(shí)，半波長(zhǎng)超過10cm，大于目前市面銷售的一般手持終端的尺寸，所以對(duì)于1GHz以下的頻率，實(shí)現(xiàn)手持終端的上行MIMO工作方式難度相對(duì)較大。
1．天線選擇傳輸
采用單天線傳輸時(shí)，只能使用固定天線，但在實(shí)際情況下兩個(gè)天線上傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量不完全相同，如果能夠選擇傳輸信號(hào)質(zhì)量較好的天線，則可能獲得一定的天線分集增益。目前天線選擇有開環(huán)和閉環(huán)兩種方式，具體使用哪種方式由網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置。
–當(dāng)終端不具備天線選擇功能或網(wǎng)絡(luò)側(cè)未配置使用天線選擇功能時(shí)，則終端使用單天線傳輸方式。
–當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置終端使用開環(huán)天線選擇工作方式時(shí)，具體使用哪個(gè)天線傳輸由終端來決定。LTEFDD系統(tǒng)中一種可行的實(shí)現(xiàn)方式是終端交替使用不同的天線進(jìn)行傳輸，以獲得一定的天線分集增益；而TDLTE系統(tǒng)可以利用信道互易性獲得上行信道質(zhì)量的信息進(jìn)而選擇合適的天線進(jìn)行傳輸。
–當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置終端使用閉環(huán)天線選擇工作方式時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制終端使用哪個(gè)天線進(jìn)行傳輸，終端按照網(wǎng)絡(luò)側(cè)最近下發(fā)的DCIFormat0信息獲知具體的發(fā)射天線端口，具體過程見表1，通過特定的天線選擇掩碼對(duì)DCIFormat0信息后面增加的CRC校驗(yàn)比特進(jìn)行加擾。
表1 終端發(fā)射天線選擇掩碼
終端發(fā)射天線選擇
天線選擇掩碼（xAS,0，xAS,1，…，xAS,15）
終端天線端口0
<0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0>
終端天線端口1
<0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1>
2．多用戶MIMO
R8/R9LTE終端在上行只支持單發(fā)雙收工作方式，不可能實(shí)現(xiàn)上行單用戶MIMO，因此在上行鏈路傳輸中，一種特殊的被稱為虛擬MIMO的技術(shù)得到應(yīng)用。當(dāng)終端1與eNodeB間的空間信道和終端2與eNodeB間的空間信道不相關(guān)時(shí)，基站調(diào)度器可以為兩個(gè)終端分配相同的時(shí)頻資源，同時(shí)進(jìn)行上行傳輸，也就是上行MU-MIMO。當(dāng)小區(qū)有較多用戶（例如有較多的VoIP用戶）且基站有較多的接收天線時(shí)，上行MU-MIMO更容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以提高小區(qū)的平均吞吐量。工作于上行MU-MIMO工作模式下的終端采用相互正交的參考信號(hào)圖案，以簡(jiǎn)化基站的處理難度。從終端的角度看，上行MU-MIMO與單天線傳輸?shù)牟煌?，僅僅在于參考信號(hào)圖案的使用必須與其他終端配對(duì)。但從基站的角度看，確實(shí)是一個(gè)2×2的MIMO系統(tǒng)，接收機(jī)可以對(duì)這兩個(gè)終端發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)。由于MU-MIMO的終端間使用相同的時(shí)間和頻率資源，且空間信道之間很難完全不相關(guān)，所以可能會(huì)帶來一定程度的用戶間干擾，基站使用MMSE接收機(jī)可以有效減小這種干擾的影響。

自適應(yīng)MIMO
在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，MIMO系統(tǒng)可以有不同的解決和實(shí)現(xiàn)方案?；菊{(diào)度器可以實(shí)時(shí)決定終端或網(wǎng)絡(luò)側(cè)使用哪種MIMO工作方式以獲得最大的系統(tǒng)增益，也就是自適應(yīng)MIMO?；驹谶x擇MIMO工作模式時(shí)，主要考慮的因素包括終端的移動(dòng)速度、秩、接收信噪比等。
目前3GPPR8/R9版本中的MIMO系統(tǒng)都具備模式內(nèi)MIMO自適應(yīng)功能，例如對(duì)于下行模式3，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以根據(jù)無線信道的變化情況以及秩的變化情況，自適應(yīng)地在大延遲CDD空間復(fù)用和發(fā)射分集之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。MIMO系統(tǒng)也具備模式間自適應(yīng)功能，也就是通過從模式3轉(zhuǎn)換到模式2，可以實(shí)現(xiàn)大延遲CDD空間復(fù)用和發(fā)射分集之間的轉(zhuǎn)換。模式內(nèi)MIMO自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換速度快；模式間的MIMO自適應(yīng)需要RRC重配置過程，轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，但是可以在一定程度上節(jié)省一些系統(tǒng)資源。
 

天線配置

多天線傳輸系統(tǒng)和基站的天線配置情況密不可分，想要實(shí)現(xiàn)特定的MIMO傳輸工作方式，需要合理的基站側(cè)天線配置。下面對(duì)主要的MIMO工作方案對(duì)天線配置的要求進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
–發(fā)射分集技術(shù)要求至少在發(fā)射端有較低的空間相關(guān)性，因此在天線配置時(shí)至少要求在發(fā)射端使用正交的極化天線或有足夠空間間隔的多個(gè)非級(jí)化天線，例如可以采用DIV（Diversity）或CLA（ClusterLinearArray）類型的天線配置。DIV天線陣列使用多個(gè)單極化陣子，彼此間有較大空間隔離（如4個(gè)波長(zhǎng)）。CLA天線陣列中的陣子對(duì)的間距雖然很?。ㄈ?.5個(gè)波長(zhǎng)），但是每個(gè)陣子對(duì)內(nèi)是兩個(gè)交叉極化陣子，通過使用這兩個(gè)正交的極化陣子可以保證較低的空間相關(guān)性。
–空間復(fù)用技術(shù)要求在發(fā)射端和接收端都有較低的空間相關(guān)性，因此在天線配置時(shí)，在發(fā)射端可以使用正交的極化天線或有足夠空間間隔的多個(gè)非級(jí)化天線，可以采用DIV或CLA類型的天線配置。
–波束賦形技術(shù)要求在發(fā)射端有較高的空間相關(guān)性，因此在天線配置時(shí)在發(fā)射端需要使用較小的天線間距，例如使用CLA和ULA（UniformLinearArray）類型的天線。CLA的陣子間距較小，可以使用相同極化方向的不同陣子實(shí)現(xiàn)波束賦形效果。ULA類型的天線由排列非常緊密的單極化陣子構(gòu)成，所以非常適合波束賦形操作。
–MU-MIMO技術(shù)也要求在發(fā)射端有較高的空間相關(guān)性，所以一般可以使用ULA或CLA類型的天線。