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多天线与MIMO技术的发展和应用
多天线与MIMO技术的开展和应用
杉杉
中网华通设计咨询，普洱665000
摘要；本文介绍了多天线技术的概念和核心技术，并重点介绍了MIMO技术的特点，在现有通信网种的应用。
关键词：
多天线；MIMO；LTE
一、引言
2004年12月在3GPP〔The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴方案〕组织在多伦多会议上正式启动了UMTS〔UniversalMobileTelemunicationsSystem，通用移动通信系统〕技术标准的长期演进LTE〔LongTermEvolution），其中MIMO〔Multi-Input&Multi-Output，多输入多输出〕作为其关键技术备受关注。
随着中国联通对MIMO技术的广泛应用，以及LTE-FDD商用网的大规模建立，要求我们无线通信设计人员必须清楚MIMO技术的概念和特点，以便于频谱资源和网络配置的规划。
本文将逐步介绍多天线技术的概念、MIMO技术特点，以及MIMO技术的应用和开展趋势。
二、概述
1多天线技术的定义
多天线技术顾名思义，就是采用多个天线，区别于传统的无线通信系统，多天线技术是在无线链路的发射端或者接收端采用多个天线或者天线矩阵，也可在发射端和接收端同事采用多个天线或者天线矩阵，以实现频率复用，提高数据传输速率。
2多天线技术的分类
根据不同的实现方式分为天线分集，波束赋型和空分复用三种技术。
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2.2.1.天线分集技术
分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常通过两个或更多的天线来实现。
同均衡器一样，它在不增加传输功率和带宽的前提下，而改善无线通信信道的传输质量。
在移动通信中，基站和移动台的接收机都可以采用分集技术。
目前常用的分集方式主要有两种：
宏分集和微分集。
天线分集是指利用多天线间较低的无线信道的相关性，提供额外的〔发射或接收〕分集来对抗无线信道的衰落，是一种被用以恢复信号完整度的技术。
按天线类型可有空间分集，或极化分集。
分集天线在GSM系统中有广泛的应用，在基站间距较小、高楼林立的市区，由于安装环境受限，多采用体积较小的极化分集天线，而在开阔的郊区和农村，那么多采用增益较高的空间分集天线。
2.2.2.波束赋型技术
波束赋型〔Beamforming〕是一种基于天线阵列的信号预处理技术，指利用发射端或承受段的多根天线，以一定的方式形成一个特定波束，使目标方向上天线增益最大以及抑制/降低干扰。
因此，波束赋形技术在扩大覆盖围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。
波束赋形技术已经在TD-SCDMA系统中得到了成功的应用，在TD-LTER8中也采用了波束赋形技术。
在TD-LTER8的PDSCH传输模式7中定义了基于单端口专用导频的波束赋形传输方案。
TD-LTER9中那么将波束赋形技术扩展到了双流传输方案中，通过新定义的传输模式8引入了双流波束赋形技术，并定义了新的双端口专用导频与相应的控制、反应机制。
2.2.3.空分复用技术
让同一个频段在不同的空间得到重复利用，称之为空分复用。
在移动通信中，能实现空间分割的根本技术就是采用自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束。
通过空分复用，多个发射源或者承受站可以同时使用同一个频率，提高系统的频谱效率。
在实际的通信工程里，空分复用通常和其它复用技术结合使用[1]。
三、MIMO技术
1MIMO技术的定义和原理
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3.1.1.MIMO技术的定义
MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）即多入多出技术，指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。
它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，达得更高的用户速率。
3.1.2.MIMO技术的原理
MIMO系统发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去，接收端将各根天线接收到的信号进展空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。
其系统原理图如下：
图1：
MIMO系统原理图
2MIMO技术的优点
无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。
每份信号都是一个空间流。
使用单输入单输出〔SISO〕的系统一次只能发送或接收一个空间流。
MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。
MIMO技术的应用，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增加无线系统的覆盖围。
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3.2.1.提高信道容量
MIMO接入点到MIMO客户端之间，可以同时发送和接收多个空间流，信道容量可以随着天线数量的增大而线性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。
3.2.2.提高信道的可靠性
利用MIMO信道提供的空间复用增益及空间分集增益，可以利用多天线来抑制信道衰落。
多天线系统的应用，使得并行数据流可以同时传送，可以显著克制信道的衰落，降低误码率。
3MIMO技术的缺点
MIMO技术由于是多天线收发技术，与SISO相比具有很大的优势，同时也有缺陷：
1）天线体积较大，重量较重，对安装空间要求较高；
2）MIMO技术由于采用多进多出，所以其对应的馈线也比拟多，施工难度大；
3）MIMO技术受限于终端的本钱和功耗，实现单个终端上行多路射频发射和功放的难度较大。
四、MIMO系统的分类
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1按照收发天线的数目进展分类
根据收发天线数目的不同，MIMO系统可以分为SISO〔SingleInputSingleOutput单输入单输出〕、MISO〔MultipleInputSingleOutput多输入单输出〕、SIMO〔SingleInputMultipleOutput单输入多输出〕、MIMO以及协作MIMO等多种方式。
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4.1.1.SISO
SISO是采用单天线发送和单天线接收的方式。
由香农定理可知，理论上单天线的信息容量受限于链路的SNR，容量每增加1bit/s/Hz，发射功率就需要增加一倍，比方从1bit/s/Hz增加到11bit/s/Hz，发射功率就必须增加约1000倍。
4.1.2.MISO
MISO是采用多天线发送和单天线接收的方式，如下列图所示。
下行方向上使用MISO时，表示基站采用多天线进展发射，基站所效劳的所有终端用户都能获得发射分集增益，并且链路容量随着天线数目的增加而以对数方式提升。
根据天线发射信号的不同，MISO包括以下两种类型：
<1>发射分集多根天线都发送一样的信号。
发射天线相互靠近时，接收侧接收到的信号较强。
但是由于天线位置较近，所以通路间相关性比拟大，从而限制了分集增益。
<2>空时块编码多根天线不仅发送一样的信息，还发送具有相关性的不同数据块，这样不仅能够提升数据传输速率，也能够显著增加覆盖面和传输可靠性。
4.1.3.SIMO
SIMO是采用单天线发送和多天线接收的方式，如下列图所示。
这种方式下，基站所效劳的所有终端用户都能够获得接收分集增益，并且链路容量随着天线数目的增加而以对数方式提升。
由于不同路径上的接收信号具有不同的空间特性和特征，因此，接收机可以采用交换分集或者最大比合并方式进展接收，以便获取最大的SNR。
4.1.4.MIMO
MIMO是采用多天线发送和多天线接收的方式，如下列图所示。
MIMO可以看成是双天线分集的扩展，而且有效使用了编码重用〔CodeReuse〕技术，即用一样的信道编码和扰码对多个不同的数据流进展调制。
MIMO系统中收发端各有多根天线，发射机和接收机之间采用不同天线配置的组合，可以大大提高数据传输速率，同时也可以提高系统容量。
2按照实现方式进展分类
根据实现方式的不同，MIMO可以分为空间复用、空间分集、波束赋形等类型；根据接收端是否反应信息状态信息，MIMO可以分为闭环和开环两种类型。
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4.3.1.空间复用
空间复用指系统将高速数据流分成多路低速数据流，经过编码后调制到多根发射天线上进展发送。
由于不同空间信道间具有独立的衰落特性，因此接收端利用最小均方误差或者串行干扰删除技术，就能够区分出这些并行的数据流。
这种方式下，使用一样的频率资源可以获取更高的数据传输速率，意味着频谱效率和峰值速率都得到改善和提高。
4.3.2.空间分集
空间分集指将同一信息进展正交编码后从多根天线上发射出去的方式。
接收端将信号区分出来并进展合并，从而获得分集增益。
编码相当于在发射端增加了信号的冗余度，因此可以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，使传输可靠性和覆盖面增加。
分集技术主要用来对抗信道衰落。
4.3.3.波束赋型
波束赋形是通过对信道的准确估计，采用多根天线产生一个具有指向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提升信号质量，降低用户见的干扰。
4.3.4.开环传输
接收端不反应任何信息给发射端，因而发射端无法了解信道状态信息时，信息的传输方式称为开环传输模式。
开环传输模式下，接收端没有任何信息反应给发射端，因而功率在发射端各天线平均分配。
4.3.5.闭环传输
接收端给发射端进展信息反应，发射端就可以了解全部或者局部信道状态信息，信息的传输方式称为闭环传输模式。
闭环传输模式下，发射端需要从接收端得到下行信道状态的反应，构成反应信道，也将依次在各数据流间调整发射功率[3]。
五、MIMO技术的应用
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1MIMO技术在3G中的应用
随着用户的对数据传输速率和空中接口带宽的需求不断增加，在3G系统中采用了HSPA+技术，作为3G到4G的过渡。
HSPA+吸收了LTE中不少先进技术，MIMO就是其中重要的一环。
综合使用空间复用技术和空时编码技术，使得MIMO能够在不同的使用场景下都发挥出良好的效果出于本钱及性能的综合考虑，HSPA+中的MIMO采用的是2×2的天线模式：
下行是双天线发射，双天线接收；上行为了降低终端的本钱，缩小终端的体积，采用了单天线发射。
也就是说，MIMO的效用主要只是用在下行，上行只是进展传输天线选择[2]。
2MIMO技术在WIMAX中的应用
WiMAX802.16e正越来越多地被运营商采用为首选的固定和移动宽带接入策略，为终端用户提供丰富的高宽带多媒体业务。
这些策略对运营商的无线网络提出了极大的挑战。
为了建立和维持赢利的商业模式，需要对网络容量、用户吞吐量、网络覆盖质量作较大的改良。
MIMO多天线技术的应用，使802.16e能够应对这些挑战，同时MIMO技术与OFDMA技术结合使用，可以大幅提高网络覆盖能力，使WiMAX系统容量倍增，从而大幅降低网络建立本钱和维护本钱，有力推动了移动WiMAX开展。
3MIMO技术在LTE中的应用
LTE协议从2006年开场制定，MIMO技术从一开场就成为LTE中频谱效率提升的关键技术。
TD-LTE协议的进展程度和FDD类似。
LTE-FDD协议目前支持的最大天线数为基站4发，终端2发。
TDD协议可支持大于4天线的天线配置。
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5.3.1.LTE的MIMO模式协议
1）单天线端口，端口=0，主要适用于单天线传输的场景；
2）发射分集，适用于小区边缘情况比拟复杂，干扰较大的情况，高速或者SNR低的场景；
3）开环空间复用，适合于终端〔UE〕高速移动和反射环境复杂的区域；
4）闭环空间复用，适用于信道条件比拟好的场景，用于提供比拟高的数据传输速率；
5）多用户MIMO〔MU-MIMO〕，主要用来提供小区的容量，用于能找到两个UE正交的场景；
6）闭环RANK=1预编码，主要适用于小区边缘的厂家，低速移动和低SINR的场景；
7）单天线端口，端口=5，单流Beamforming主要也是用于小区边缘，能够有效地对抗干扰，TDD专用；
8）单双流自适应BF，双流Beamforming可以用于小区边缘，也可以用于低速移动，高SNR的场景，TDD专用；
9）单双四流自适应BF，LTE-A中新增加的一种模式，可以支持最大到8层的传输，主要为了提升数据传输的速率，适用于低速移动，高SNR的场景。
5.3.2.LTE主要支持的多天线类型
1）发射分集2TxSFBC，4TxSFBC+FSTD，PVS〔预编码向量的周期切换〕，天线选择：
用扰码隐式显示上行发射天线选择。
2）SU-MIMO支持不多于两个独立码字、支持Rank适配、支持酉预编码，恒模Householder码本、支持CDD。
3）MU-MIMO多用户合成的预编码矩阵可以为酉也可以为非酉。
4）基于TDD的技术特点，LTETDD相比FDD还增加了下行的波束赋形技术[4]。
六、小结
在频带资源有限而高速数据需求无限增长的情况下，利用增加发射天线来增加空间自由度、改善系统性能、提高频带利用率是无线通信领域中的一个研究方向。
MIMO技术以其特有的优点，在与OFDMA的结合的情况下，在提示数据传输速率，加大系统容量，提高频谱利用率的研究中发挥巨大的潜力。
参考文献：
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[4]绍纲.基于OFDM-MIMO-HSOPA 技术.TELEMUNICATIONS TECHNOLOGY.2006.（10）:
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