深入剖析MIMO系統 @ jcjin的心情筆記

對更高網路容量和更高無線網路性能的需求是不變的。MIMO系統能大幅改善頻譜效率，將在很多未來的無線通訊系統中扮演重要角色。本文將概述MIMO系統的原理和這些系統的標準化。

過去幾年，無線服務重要性日益提升，對更高網路容量和更高性能的需求不斷成長。幾種選擇方式如更高頻寬、最佳化的調變方式甚至程式碼多工系統實際上提高頻譜效率的潛力有限。多輸入多輸出(MIMO)系統透過採用天線陣列，利用空間多工技術來提高所使用頻寬的效率。

MIMO系統利用來自一個訊息通道的多個輸入和多個輸出。這些系統是用空間分集和空間多工定義的。空間分集分為Rx和Tx分集。訊號的副本從另外一個天線發送或在多個天線處接收。採用空間多工，系統能在一個頻率上同時傳輸一個以上的空間數據串流。

MIMO是在802.11n、802.16-2004和802.16e以及3GPP中制訂的。包含MIMO的更新標準是IEEE802.20和802.22。本文將概述MIMO系統的原理以及這些系統的標準化，以及WCDMA、OFDM和天線陣列的基礎知識。

MIMO訊息通道

非MIMO系統用幾個頻率透過多個訊息通道鏈接。MIMO訊息通道具有多個鏈路，工作在相同的頻率。該技術的挑戰是所有訊號路徑的分離和均衡。訊息通道模型包括具有直接和間接訊息通道分量的H矩陣。直接分量(例如h₁₁)描述訊息通道平坦度，而間接分量(例如h₂₁)代表訊息通道隔離。發送訊號用s代表，接收訊號用r代表。時間不變的窄頻訊息通道定義為：

瞭解H對於解碼來說是必要的，並透過一個已知的訓練序列估計。如果接收器將訊息通道近似值發送到發送器，則可以用來進行預編碼。預編碼能改善MIMO性能。

香農理論可計算理論訊息通道容量。

它包括了傳輸頻寬f_g和訊息噪音比。大多數訊息通道容量的改善都是基於頻寬擴展或者其他調變。這些因素並不能很大地提高頻譜效率。MIMO系統的香農容量又決定於天線的數量。M是最小的M_T(發送天線的數量)或M_R(接收天線的數量)，表示空間資訊串流的數量。例如，一個2x3的系統只能支援兩個空間數據串流，這個結果同樣適用於2x4的系統。

對於MIMO，以下公式提供了容量的計算方法：

MIMO容量隨著天線數量呈線性增加。不對稱的天線星座分佈(例如1x2或2x1)被稱為接收或發送分集。在這些情況下容量(C_Tx/Rx)隨天線的數量呈對數成長。

空間多工

透過一個以上的天線發送多組數據串流稱為空間多工。有兩種類型必須考慮。

第一種類型為V-BLAST(Vertical Bell實驗室分層空間-時間)，它發送空間未編碼的數據串流，不需要考慮在接收器上對訊號進行均衡處理。

第二種類型是透過空間-時間編碼實現的。與V-BLAST相較，空間時間編碼提供正交編碼方式，因此是獨立的數據串流。V-BLAST方法不能分離數據串流，因此會出現多個數據串流的干擾(MSI)。這會使傳輸變得不穩定，而前向糾錯編碼並非總是能解決這個問題。空間-時間編碼訊號的檢測基於一種簡單的線性處理，並獲得合理的結果。空間多工的優勢是，容量的增加與發送天線的數量線性相關。

空間分集

空間多工可提供更高容量，但訊號品質並無改善。空間多工不僅沒有提高訊號品質，反而使訊號品質降低了。空間分集能改善訊號品質，並在接收端達到更高的訊息噪音比。特別是在廣大的網路區域，空間多工技術達到了自身的極限。網路環境越大，訊號強度就必須越高。

分集原理依賴於結構化冗餘的傳輸。這種冗餘可以在任何時間，從任何天線、透過任何頻率，或以任何極化方式傳輸。而目前在MIMO技術中並沒有考慮後一種方法。因此必須考慮兩種空間分集：1. Tx分集，一個訊號的副本從另外一個天線發送(例如2x1)；2. Rx分集，接收到的訊號進行多次評估(例如2x1)。第一種可以與單聲道和立體聲訊號相較。如果是立體聲訊號，人耳可以感受到更好的聲音效果。第二種分集類似於兩隻耳朵，所聽到的效果比單隻耳朵更好。

圖1：MIMO物理信道的空間-時間編解碼

為利用Tx分集，可以採用所謂的Alamouti空間-時間編碼(見圖3)。它可以獲得完全的分集，只使用一個接收天線。透過採用比發送天線更多的接收天線和一種合適的組合演算法，可以使用Rx分集。交換組合或最大定量組合是兩個演算法的例子。如果訊息通道矩陣已知，這些演算法與分集類型無關。用於空間分集的接收器演算法見圖2。透過近場空間多工和遠場空間分集，可以實現無線通訊系統的最佳性能和覆蓋範圍。

圖2：圖2用於空間分集的接收器算法，A和B為相同的信號

空間-時間編碼

空間-時間編碼改善了性能，並使空間分集可以使用。訊號的副本不僅從另外一個天線發送，而且在另外的時間發送。這種延遲發送稱為延遲分集。空間-時間編碼結合了空間和時間訊號副本，如圖3所示。

圖3：用於2個Tx天線空間-時間編碼的Alamouti空間-時間塊編碼

訊號s₁和s₂在兩個數據鏈中多工。之後，加入一個訊號複製來產生Alamouti塊狀時空編碼(STBC)。

空間-時間編碼可以用兩種不同的方法設計：1. 塊狀時空編碼(2個發送天線=Alamouti編碼，見圖3)；2. 終態狀態機(FSM)產生柵格時空編碼(STTC)。第一種編碼是獲得空間分集的最簡單方法，已獲得廣泛應用。目前第二種編碼更複雜且昂貴。對於超過兩個天線的情況，圖4列出了幾種偽Alamouti編碼。

圖4中的編碼指數首先與天線的數量有關，其次與空間數據串流的數量相關。

圖4：用於超過兩個發送天線的復合Alamouti編碼

除了S₄₂，這些編碼不能獲得完全分集，且四個數據串流只能透過空間多工實現，沒有任何空間分集。圖5中的編碼基於實際的塊狀時空編碼設計，並產生具有完全空間多工的完全分集。

圖5：用於3個Tx天線的空間-時間塊編碼

這種編碼的問題是碼率。碼率是所使用訊號與傳輸所需要時間的比值。上面的編碼具有1/2的碼率。

Vahid Tarokh開發了一種最佳化的塊狀時空編碼，用於將碼率增加到3/4。這種準正交STBC(見圖6)很有效，但是允許一定的符號間干擾(ISI)。

圖6：用於3個Tx天線的優化的空間-時間塊編碼

儘管存在符號間干擾，誤碼率(BER)依然在允許範圍內。這些編碼都不能用來獲得像Alamouti那樣的全碼率。

空間數據串流的數量不能超過現有天線數量。注意空間分集和空間多工間的折衷對於可靠和強大的MIMO系統很重要。

在某些情況會出現巨集分集的概念。這種分集可以用在MIMO系統中，但是與這些系統無關。如果終端設備同時連接到多個基地台，巨集分集用於基地台切換處理。用戶終端從幾個方向接收到相同的訊號，並將所有的訊號組合起來獲得更高的SNR。

天線系統

天線技術對增加網路容量很關鍵。這種技術始於分扇區天線。這些天線覆蓋60或120度，以蜂巢式執行。在GSM中，採用120度天線容量可以擴大到3倍。自適應天線陣列採用窄波束加強空間多工。智慧天線屬於自適應天線陣列，但是在智慧到達方向(DoA)估計上不同。智慧天線獨立於任何的支援的反饋，對用戶終端是透明的，可以形成特定用戶波束。可選的反饋可降低陣列系統的複雜性。MIMO系統通常需要反饋，且對用戶不是透明的。波束成形是用於製作天線陣列輻射模式的一種方法。它可以用在所有的天線陣列以及MIMO系統。

圖7：交換波束形成和自適應波束形成

智慧天線分成以下兩種(圖7)：1. 具有有限固定預定義模式的相位陣列系統(交換波束形成)；2. 具有無數個根據情況即時調整模式的自適應陣列系統(自適應波束形成，AAS)。交換波束形成器運算DoA，並接通固定的波束。如果用戶行動時跨越這些固定的波束，訊號抖動會導致中斷。換言之，用戶只能沿著波束中心才能獲得最佳的訊號強度。自適應波束成形器解決了這個問題，會根據行動終端即時調整波束。這種系統的複雜性和成本高於第一種類型。

MIMO和OFDM

MIMO可以應用於所有的無線通訊技術。然而，MIMO和OFDM(正交頻分多工)的結合具有以下優點：1. OFDM適合於無線系統中的多徑傳播。OFDM訊框的長度決定於保護間隙(GI)。這個保護間隙限制最大路徑延遲，以及與延遲相關的網路面積。MIMO也使用多徑傳播。2. OFDM是一種寬頻系統，具有很多窄頻子頻段。數學MIMO訊息通道模型基於窄頻非頻率選擇性訊息通道。OFDM也支援後者。寬頻系統的衰落效應通常只發生在特定頻率，很少子頻帶干擾。數據擴展到所有頻段，因此只有很少的數據位元丟失，這些丟失的數據位元可透過前向糾錯(FEC)進行修補。OFDM提供穩固的多徑系統，適用於MIMO。OFDM也提供高頻譜效率，以及幾個子頻段上塊狀時空編碼在時域擴展時的一定自由度。這就可以基於前面描述的原理得到一個更穩固的系統。

MIMO標準

表1提供了所有目前的MIMO標準及技術概述。

表1：當前所有的MIMO標準以及它們相應的技術