多天線與MIMO技術的發(fā)展和應用

1、多天線與MIMO技術的發(fā)展和應用楊杉杉北京中網華通設計咨詢有限公司，云南普洱 665000摘要；本文介紹了多天線技術的概念和核心技術，并重點介紹了MIMO技術的特點，在現(xiàn)有通信網種的應用。關鍵詞：多天線；MIMO；LTE目錄一、引言1二、概述21多天線技術的定義22多天線技術的分類22.2.1.天線分集技術22.2.2.波束賦型技術32.2.3.空分復用技術3三、MIMO技術31MIMO技術的定義和原理33.1.1.MIMO技術的定義33.1.2.MIMO技術的原理32MIMO技術的優(yōu)點43.2.1.提高信道容量43.2.2.提高信道的可靠性43MIMO技術的缺點5四、MIMO系統(tǒng)的分類51按

2、照收發(fā)天線的數(shù)目進行分類54.1.1.SISO54.1.2.MISO54.1.3.SIMO64.1.4.MIMO62按照實現(xiàn)方式進行分類64.3.1.空間復用64.3.2.空間分集64.3.3.波束賦型74.3.4.開環(huán)傳輸74.3.5.閉環(huán)傳輸7五、MIMO技術的應用71MIMO技術在3G中的應用72MIMO技術在WIMAX中的應用73MIMO技術在LTE中的應用85.3.1.LTE的MIMO模式協(xié)議85.3.2.LTE主要支持的多天線類型8六、小結9一、 引言2004年12月在3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）組織在

3、多倫多會議上正式啟動了UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統(tǒng)）技術標準的長期演進LTE（Long Term Evolution)，其中MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多輸入多輸出）作為其關鍵技術備受關注。隨著中國聯(lián)通對MIMO技術的廣泛應用，以及LTE-FDD商用網的大規(guī)模建設，要求我們無線通信設計人員必須清楚MIMO技術的概念和特點，以便于頻譜資源和網絡配置的規(guī)劃。本文將逐步介紹多天線技術的概念、MIMO技術特點，以及MIMO技術的應用和發(fā)展趨勢。二、 概述1 多天線技術的定義多

4、天線技術顧名思義，就是采用多個天線，區(qū)別于傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)，多天線技術是在無線鏈路的發(fā)射端或者接收端采用多個天線或者天線矩陣，也可在發(fā)射端和接收端同事采用多個天線或者天線矩陣，以實現(xiàn)頻率復用，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。2 多天線技術的分類根據(jù)不同的實現(xiàn)方式分為天線分集，波束賦型和空分復用三種技術。122.12.21.2.2.1.2.2.2.2.1. 天線分集技術分集技術是用來補償衰落信道損耗的，它通常通過兩個或更多的天線來實現(xiàn)。同均衡器一樣，它在不增加傳輸功率和帶寬的前提下，而改善無線通信信道的傳輸質量。在移動通信中，基站和移動臺的接收機都可以采用分集技術。目前常用的分集方式主要有兩種：宏分集和微分

5、集。天線分集是指利用多天線間較低的無線信道的相關性，提供額外的（發(fā)射或接收）分集來對抗無線信道的衰落，是一種被用以恢復信號完整度的技術。按天線類型可有空間分集，或極化分集。分集天線在GSM系統(tǒng)中有廣泛的應用，在基站間距較小、高樓林立的市區(qū)，由于安裝環(huán)境受限，多采用體積較小的極化分集天線，而在開闊的郊區(qū)和農村，則多采用增益較高的空間分集天線。2.2.2. 波束賦型技術波束賦型（Beamforming）是一種基于天線陣列的信號預處理技術，指利用發(fā)射端或接受段的多根天線，以一定的方式形成一個特定波束，使目標方向上天線增益最大以及抑制/降低干擾。因此，波束賦形技術在擴大覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量以及干擾

6、抑止等方面都有很大的優(yōu)勢。波束賦形技術已經在TD-SCDMA系統(tǒng)中得到了成功的應用，在TD-LTE R8中也采用了波束賦形技術。在TD-LTE R8的PDSCH傳輸模式7中定義了基于單端口專用導頻的波束賦形傳輸方案。TD-LTE R9中則將波束賦形技術擴展到了雙流傳輸方案中，通過新定義的傳輸模式8引入了雙流波束賦形技術，并定義了新的雙端口專用導頻與相應的控制、反饋機制。2.2.3. 空分復用技術讓同一個頻段在不同的空間內得到重復利用，稱之為空分復用。在移動通信中，能實現(xiàn)空間分割的基本技術就是采用自適應陣列天線，在不同的用戶方向上形成不同的波束。通過空分復用，多個發(fā)射源或者接受站可以同時使用同一

7、個頻率，提高系統(tǒng)的頻譜效率。在實際的通信工程里，空分復用通常和其它復用技術結合使用1。三、 MIMO技術1 MIMO技術的定義和原理233.11.2.3.3.1.3.1.1. MIMO技術的定義MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)即多入多出技術，指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(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，達得更高的用戶速率。3.1.2. MIMO技術的原理MIMO系統(tǒng)發(fā)射端通過空時映射將要發(fā)

8、送的數(shù)據(jù)信號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進行空時譯碼從而恢復出發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。其系統(tǒng)原理圖如下：圖1：MIMO系統(tǒng)原理圖2 MIMO技術的優(yōu)點無線電發(fā)送的信號被反射時，會產生多份信號。每份信號都是一個空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個空間流。MIMO允許多個天線同時發(fā)送和接收多個空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空間方位的信號。MIMO 技術的應用，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。33.13.21.2.3.3.1.3.2.3.2.1. 提高信道容量MIMO接入點到MIMO客戶端之間，可以同時發(fā)送和接

9、收多個空間流，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。3.2.2. 提高信道的可靠性利用MIMO信道提供的空間復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)的應用，使得并行數(shù)據(jù)流可以同時傳送，可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。3 MIMO技術的缺點MIMO技術由于是多天線收發(fā)技術，與SISO相比具有很大的優(yōu)勢，同時也有缺陷：1) 天線體積較大，重量較重，對安裝空間要求較高；2) MIMO技術由于采用多進多出，所以其對應的饋線也比較多，施工難度大；3) MIMO技術

10、受限于終端的成本和功耗，實現(xiàn)單個終端上行多路射頻發(fā)射和功放的難度較大。四、 MIMO系統(tǒng)的分類233.13.23.33.41.2.3.4.4.1.1 按照收發(fā)天線的數(shù)目進行分類根據(jù)收發(fā)天線數(shù)目的不同，MIMO系統(tǒng)可以分為SISO（SingleInputSingleOutput單輸入單輸出）、MISO（MultipleInputSingleOutput多輸入單輸出）、SIMO（SingleInputMultipleOutput單輸入多輸出）、MIMO以及協(xié)作MIMO等多種方式。1.2.3.3.1.3.2.3.3.3.4.3.4.1.4.4.1.4.1.1. SISOSISO是采用單天線發(fā)送和單天

11、線接收的方式。由香農定理可知，理論上單天線的信息容量受限于鏈路的SNR，容量每增加1bit/s/Hz，發(fā)射功率就需要增加一倍，比如從1bit/s/Hz增加到11bit/s/Hz，發(fā)射功率就必須增加約1000倍。4.1.2. MISOMISO是采用多天線發(fā)送和單天線接收的方式，如下圖所示。下行方向上使用MISO時，表示基站采用多天線進行發(fā)射，基站所服務的所有終端用戶都能獲得發(fā)射分集增益，并且鏈路容量隨著天線數(shù)目的增加而以對數(shù)方式提升。根據(jù)天線發(fā)射信號的不同，MISO包括以下兩種類型：<1>發(fā)射分集多根天線都發(fā)送相同的信號。發(fā)射天線相互靠近時，接收側接收到的信號較強。但是由于天線位置較

12、近，所以通路間相關性比較大，從而限制了分集增益。<2>空時塊編碼多根天線不僅發(fā)送相同的信息，還發(fā)送具有相關性的不同數(shù)據(jù)塊，這樣不僅能夠提升數(shù)據(jù)傳輸速率，也能夠顯著增加覆蓋面和傳輸可靠性。4.1.3. SIMOSIMO是采用單天線發(fā)送和多天線接收的方式，如下圖所示。這種方式下，基站所服務的所有終端用戶都能夠獲得接收分集增益，并且鏈路容量隨著天線數(shù)目的增加而以對數(shù)方式提升。由于不同路徑上的接收信號具有不同的空間特性和特征，因此，接收機可以采用交換分集或者最大比合并方式進行接收，以便獲取最大的SNR。4.1.4. MIMOMIMO是采用多天線發(fā)送和多天線接收的方式，如下圖所示。MIMO可

13、以看成是雙天線分集的擴展，而且有效使用了編碼重用（Code Reuse）技術，即用相同的信道編碼和擾碼對多個不同的數(shù)據(jù)流進行調制。MIMO系統(tǒng)中收發(fā)端各有多根天線，發(fā)射機和接收機之間采用不同天線配置的組合，可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率，同時也可以提高系統(tǒng)容量。2 按照實現(xiàn)方式進行分類根據(jù)實現(xiàn)方式的不同，MIMO可以分為空間復用、空間分集、波束賦形等類型；根據(jù)接收端是否反饋信息狀態(tài)信息，MIMO可以分為閉環(huán)和開環(huán)兩種類型。4.2.4.3.4.3.1. 空間復用空間復用指系統(tǒng)將高速數(shù)據(jù)流分成多路低速數(shù)據(jù)流，經過編碼后調制到多根發(fā)射天線上進行發(fā)送。由于不同空間信道間具有獨立的衰落特性，因此接收端利用最小

14、均方誤差或者串行干擾刪除技術，就能夠區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。這種方式下，使用相同的頻率資源可以獲取更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，意味著頻譜效率和峰值速率都得到改善和提高。4.3.2. 空間分集空間分集指將同一信息進行正交編碼后從多根天線上發(fā)射出去的方式。接收端將信號區(qū)分出來并進行合并，從而獲得分集增益。編碼相當于在發(fā)射端增加了信號的冗余度，因此可以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，使傳輸可靠性和覆蓋面增加。分集技術主要用來對抗信道衰落。4.3.3. 波束賦型波束賦形是通過對信道的準確估計，采用多根天線產生一個具有指向性的波束，將信號能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，從而提升信號質量，降低用戶見的干擾。4.

15、3.4. 開環(huán)傳輸接收端不反饋任何信息給發(fā)射端，因而發(fā)射端無法了解信道狀態(tài)信息時，信息的傳輸方式稱為開環(huán)傳輸模式。開環(huán)傳輸模式下，接收端沒有任何信息反饋給發(fā)射端，因而功率在發(fā)射端各天線平均分配。4.3.5. 閉環(huán)傳輸接收端給發(fā)射端進行信息反饋，發(fā)射端就可以了解全部或者部分信道狀態(tài)信息，信息的傳輸方式稱為閉環(huán)傳輸模式。閉環(huán)傳輸模式下，發(fā)射端需要從接收端得到下行信道狀態(tài)的反饋，構成反饋信道，也將依次在各數(shù)據(jù)流間調整發(fā)射功率3。五、 MIMO技術的應用4.2.1 MIMO技術在3G中的應用隨著用戶的對數(shù)據(jù)傳輸速率和空中接口帶寬的需求不斷增加，在3G系統(tǒng)中采用了HSPA+技術，作為3G到4G的過渡。

16、HSPA+吸收了LTE中不少先進技術，MIMO就是其中重要的一環(huán)。綜合使用空間復用技術和空時編碼技術，使得MIMO能夠在不同的使用場景下都發(fā)揮出良好的效果出于成本及性能的綜合考慮，HSPA+中的MIMO采用的是2×2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，上行只是進行傳輸天線選擇2。2 MIMO技術在WIMAX中的應用WiMAX802.16e正越來越多地被運營商采用為首選的固定和移動寬帶接入策略，為終端用戶提供豐富的高寬帶多媒體業(yè)務。這些策略對運營商的無線網絡提出了極大的挑戰(zhàn)。為了建

17、立和維持贏利的商業(yè)模式，需要對網絡容量、用戶吞吐量、網絡覆蓋質量作較大的改進。MIMO多天線技術的應用，使802.16e能夠應對這些挑戰(zhàn)，同時MIMO技術與OFDMA技術結合使用，可以大幅提高網絡覆蓋能力，使WiMAX系統(tǒng)容量倍增，從而大幅降低網絡建設成本和維護成本，有力推動了移動WiMAX發(fā)展。3 MIMO技術在LTE中的應用LTE協(xié)議從2006年開始制定，MIMO技術從一開始就成為LTE中頻譜效率提升的關鍵技術。TD-LTE協(xié)議的進展程度和FDD類似。LTE-FDD協(xié)議目前支持的最大天線數(shù)為基站4發(fā)，終端2發(fā)。TDD協(xié)議可支持大于4天線的天線配置。5.5.1.5.2.5.3.5.3.1.

18、LTE的MIMO模式協(xié)議1) 單天線端口，端口=0，主要適用于單天線傳輸?shù)膱鼍埃?) 發(fā)射分集，適用于小區(qū)邊緣情況比較復雜，干擾較大的情況，高速或者SNR低的場景；3) 開環(huán)空間復用，適合于終端（UE）高速移動和反射環(huán)境復雜的區(qū)域；4) 閉環(huán)空間復用，適用于信道條件比較好的場景，用于提供比較高的數(shù)據(jù)傳輸速率；5) 多用戶MIMO（MU-MIMO），主要用來提供小區(qū)的容量，用于能找到兩個UE正交的場景；6) 閉環(huán)RANK=1預編碼，主要適用于小區(qū)邊緣的廠家，低速移動和低SINR的場景；7) 單天線端口，端口=5，單流Beamforming主要也是用于小區(qū)邊緣，能夠有效地對抗干擾，TDD專用；8) 單雙流自適應BF，雙流Beamforming可以用于小區(qū)邊緣，也可以用于低速移動，高SNR的場景，TDD專用；9) 單雙四流自適應BF，LTE-A中新增加的一種模式，可以支持最大到8層的傳輸，主要為了提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，適用于低速移動，高SNR的場景。5.3.2. LTE主要支持的多天線類型1) 發(fā)射分集2TxSFBC，4TxSFBC+FSTD，PVS（預編碼向量的周期切換），天線選擇：用擾碼隱式顯示上行發(fā)射天線選擇。2) S