多天線與MIMO技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

多天線與MIMO技術(shù)的發(fā)展

和應(yīng)用-標(biāo)）隹化文件發(fā)布號(hào)：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII多天線與MIMO技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用楊杉杉北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，云南普洱665000摘要；本文介紹了多天線技術(shù)的概念和核心技術(shù)，并重點(diǎn)介紹了MIMO技術(shù)的特點(diǎn)，在現(xiàn)有通信網(wǎng)種的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：多天線；MIMO；LTE目錄TOC\o"1-5"\h\z一、 引言 4\o"CurrentDocument"二、 概述 4多天線技術(shù)的定義 42多天線技術(shù)的分類(lèi) .4天線分集技術(shù) 5波束賦型技術(shù) 5空分復(fù)用技術(shù) .6\o"CurrentDocument"三、 MIMO技術(shù) 6MIMO技術(shù)的定義和原理 .6MIMO技術(shù)的定義 .6MIMO技術(shù)的原理 .6MIMO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) .7提高信道容量 .7提高信道的可靠性 8MIMO技術(shù)的缺點(diǎn) 8四、 MIMO系統(tǒng)的分類(lèi) 81按照收發(fā)天線的數(shù)目進(jìn)行分類(lèi) 8SISO 9MISO 9SIMO 9MIMO 10按照實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分類(lèi) 10空間復(fù)用 10空間分集 10波束賦型 11開(kāi)環(huán)傳輸 11閉環(huán)傳輸 11五、 MIMO技術(shù)的應(yīng)用 12MIMO技術(shù)在3G中的應(yīng)用 12MIMO技術(shù)在WIMAX中的應(yīng)用 12MIMO技術(shù)在LTE中的應(yīng)用 12LTE的MIMO模式協(xié)議 13LTE主要支持的多天線類(lèi)型 13\o"CurrentDocument"六、 小結(jié) 14、引言2004年12月在3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject,第三代合作伙伴計(jì)劃）組織在多倫多會(huì)議上正式啟動(dòng)了UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)LTE（LongTermEvolution），其中MIMO（Multi-Input&Multi-Output，多輸入多輸出）作為其關(guān)鍵技術(shù)備受關(guān)注。隨著中國(guó)聯(lián)通對(duì)MIMO技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及LTE-FDD商用網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，要求我們無(wú)線通信設(shè)計(jì)人員必須清楚MIMO技術(shù)的概念和特點(diǎn)，以便于頻譜資源和網(wǎng)絡(luò)配置的規(guī)劃。本文將逐步介紹多天線技術(shù)的概念、MIMO技術(shù)特點(diǎn)，以及MIMO技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。二、概述多天線技術(shù)的定義多天線技術(shù)顧名思義，就是采用多個(gè)天線，區(qū)別于傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)，多天線技術(shù)是在無(wú)線鏈路的發(fā)射端或者接收端采用多個(gè)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(gè)天線或者天線矩陣，以實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。多天線技術(shù)的分類(lèi)根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)方式分為天線分集，波束賦型和空分復(fù)用三種技術(shù)。天線分集技術(shù)分集技術(shù)是用來(lái)補(bǔ)償衰落信道損耗的，它通常通過(guò)兩個(gè)或更多的天線來(lái)實(shí)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(wú)線通信信道的傳輸質(zhì)量。在移動(dòng)通信中，基站和移動(dòng)臺(tái)的接收機(jī)都可以采用分集技術(shù)。目前常用的分集方式主要有兩種：宏分集和微分集。天線分集是指利用多天線間較低的無(wú)線信道的相關(guān)性，提供額外的(發(fā)射或接收)分集來(lái)對(duì)抗無(wú)線信道的衰落，是一種被用以恢復(fù)信號(hào)完整度的技術(shù)。按天線類(lèi)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(yīng)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(kāi)闊的郊區(qū)和農(nóng)村，則多采用增益較高的空間分集天線。波束賦型技術(shù)波束賦型(Beamforming)是一種基于天線陣列的信號(hào)預(yù)處理技術(shù)，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(gè)特定波束，使目標(biāo)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(shù)在擴(kuò)大覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量以及干擾抑止等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。波束賦形技術(shù)已經(jīng)在TD-SCDMA系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，在TD-LTER8中也采用了波束賦形技術(shù)。在TD-LTER8的PDSCH傳輸模式7中定義了基于單端口專(zhuān)用導(dǎo)頻的波束賦形傳輸方案。TD-LTER9中則將波束賦形技術(shù)擴(kuò)展到了雙流傳輸方案中，通過(guò)新定義的傳輸模式8引入了雙流波束賦形技術(shù)，并定義了新的雙端口專(zhuān)用導(dǎo)頻與相應(yīng)的控制、反饋機(jī)制。讓同一個(gè)頻段在不同的空間內(nèi)得到重復(fù)利用，稱(chēng)之為空分復(fù)用。在移動(dòng)通信中，能實(shí)現(xiàn)空間分割的基本技術(shù)就是采用自適應(yīng)陣列天線，在不同的用戶(hù)方向上形成不同的波束。通過(guò)空分復(fù)用，多個(gè)發(fā)射源或者接受站可以同時(shí)使用同一個(gè)頻率，提高系統(tǒng)的頻譜效率。在實(shí)際的通信工程里，空分復(fù)用通常和其它復(fù)用技術(shù)結(jié)合使用［1］。三、MIMO技術(shù)1 MIMO技術(shù)的定義和原理MIMO技術(shù)的定義MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)即多入多出技術(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(guò)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(guò)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，達(dá)得更高的用戶(hù)速率。MIMO技術(shù)的原理MIMO系統(tǒng)發(fā)射端通過(guò)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)。其系統(tǒng)原理圖如下：圖1圖1：MIMO系統(tǒng)原理圖空2MIMO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)無(wú)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(lái)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(wú)線系統(tǒng)的覆蓋范圍。提高信道容量MIMO接入點(diǎn)到MIMO客戶(hù)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(wú)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(lái)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。MIMO技術(shù)的缺點(diǎn)MIMO技術(shù)由于是多天線收發(fā)技術(shù)，與SISO相比具有很大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有缺陷：1） 天線體積較大，重量較重，對(duì)安裝空間要求較高；2） MIMO技術(shù)由于采用多進(jìn)多出，所以其對(duì)應(yīng)的饋線也比較多，施工難度大；3） MIMO技術(shù)受限于終端的成本和功耗，實(shí)現(xiàn)單個(gè)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(lèi)按照收發(fā)天線的數(shù)目進(jìn)行分類(lèi)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。SISO是采用單天線發(fā)送和單天線接收的方式。由香農(nóng)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。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(shí)，表示基站采用多天線進(jìn)行發(fā)射，基站所服務(wù)的所有終端用戶(hù)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(duì)數(shù)方式提升。根據(jù)天線發(fā)射信號(hào)的不同，MISO包括以下兩種類(lèi)型：＜1＞發(fā)射分集多根天線都發(fā)送相同的信號(hào)。發(fā)射天線相互靠近時(shí)，接收側(cè)接收到的信號(hào)較強(qiáng)。但是由于天線位置較近，所以通路間相關(guān)性比較大，從而限制了分集增益。＜2＞空時(shí)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(guān)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。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(wù)的所有終端用戶(hù)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(duì)數(shù)方式提升。由于不同路徑上的接收信號(hào)具有不同的空間特性和特征，因此，接收機(jī)可以采用交換分集或者最大比合并方式進(jìn)行接收，以便獲取最大的SNR。MIMO是采用多天線發(fā)送和多天線接收的方式，如下圖所示。MIMO可以看成是雙天線分集的擴(kuò)展，而且有效使用了編碼重用(CodeReuse)技術(shù)，即用相同的信道編碼和擾碼對(duì)多個(gè)不同的數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制。MIMO系統(tǒng)中收發(fā)端各有多根天線，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(shí)也可以提高系統(tǒng)容量。按照實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分類(lèi)根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，MIMO可以分為空間復(fù)用、空間分集、波束賦形等類(lèi)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(kāi)環(huán)兩種類(lèi)型?？臻g復(fù)用空間復(fù)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(jīng)過(guò)編碼后調(diào)制到多根發(fā)射天線上進(jìn)行發(fā)送。由于不同空間信道間具有獨(dú)立的衰落特性，因此接收端利用最小均方誤差或者串行干擾刪除技術(shù)，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?？臻g分集空間分集指將同一信息進(jìn)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(hào)區(qū)分出來(lái)并進(jìn)行合并，從而獲得分集增益。編碼相當(dāng)于在發(fā)射端增加了信號(hào)的冗余度，因此可以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤率,使傳輸可靠性和覆蓋面增加。分集技術(shù)主要用來(lái)對(duì)抗信道衰落。波束賦型波束賦形是通過(guò)對(duì)信道的準(zhǔn)確估計(jì)，采用多根天線產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將信號(hào)能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，從而提升信?hào)質(zhì)量，降低用戶(hù)見(jiàn)的干擾。開(kāi)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(wú)法了解信道狀態(tài)信息時(shí)，信息的傳輸方式稱(chēng)為開(kāi)環(huán)傳輸模式。開(kāi)環(huán)傳輸模式下，接收端沒(méi)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(jìn)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(chēng)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(gòu)成反饋信道，也將依次在各數(shù)據(jù)流間調(diào)整發(fā)射功率⑶。五、MIMO技術(shù)的應(yīng)用MIMO技術(shù)在3G中的應(yīng)用隨著用戶(hù)的對(duì)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(shù)，作為3G到4G的過(guò)渡。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(chǎng)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(shuō)，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⑵。MIMO技術(shù)在WIMAX中的應(yīng)用WiMAX802.16e正越來(lái)越多地被運(yùn)營(yíng)商采用為首選的固定和移動(dòng)寬帶接入策略，為終端用戶(hù)提供豐富的高寬帶多媒體業(yè)務(wù)。這些策略對(duì)運(yùn)營(yíng)商的無(wú)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(duì)網(wǎng)絡(luò)容量、用戶(hù)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(duì)這些挑戰(zhàn)，同時(shí)MIMO技術(shù)與OFDMA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。MIMO技術(shù)在LTE中的應(yīng)用LTE協(xié)議從2006年開(kāi)始制定，MIMO技術(shù)從一開(kāi)始就成為L(zhǎng)TE中頻譜效率提升的關(guān)鍵技術(shù)。TD-LTE協(xié)議的進(jìn)展程度和FDD類(lèi)似。LTE-FDD協(xié)議目前12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。LTE的MIMO模式協(xié)議單天線端口，端口=0,主要適用于單天線傳輸?shù)膱?chǎng)景；發(fā)射分集，適用于小區(qū)邊緣情況比較復(fù)雜，干擾較大的情況，高速或者SNR低的場(chǎng)景；開(kāi)環(huán)空間復(fù)用，適合于終端(UE)高速移動(dòng)和反射環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域；閉環(huán)空間復(fù)用，適用于信道條件比較好的場(chǎng)景，用于提供比較高的數(shù)據(jù)傳輸速率；多用戶(hù)MIMO(MU-MIMO)，主要用來(lái)提供小區(qū)的容量，用于能找到兩個(gè)UE正交的場(chǎng)景；閉環(huán)RANK=1預(yù)編碼，主要適用于小區(qū)邊緣的廠家，低速移動(dòng)和低SINR的場(chǎng)景；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(duì)抗干擾，TDD專(zhuān)用；單雙流自適應(yīng)BF，雙流Beamforming可以用于小區(qū)邊緣，也可以用于低速移動(dòng)，高SNR的場(chǎng)景，TDD專(zhuān)用；單雙四流自適應(yīng)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(dòng)，高SNR的場(chǎng)景。LTE主要支持的