中心議題：

• MIMO技術定義和發展曆史
• MIMO的3種主要技術應用
• 三種技術的優缺點及應用場景
• MIMO技術在3G的應用

解決方案：

• 空間複用
• 空時編碼
• 波束成型

人們對移動通信空口帶寬的需求不斷增加
，為此，LTE選擇了MIMO等技術以實現高帶寬的目標。

由於LTE還需要一個較長的周期才能實現商用，加之已經部署的WCDMA網絡已經耗費了運營商大量的投資，因此HSPA+作為一個過渡技術誕生了。HSPA+吸收了LTE中不少先進技術
，MIMO就是其中重要的一環。

MIMO定義和發展曆史

MIMO又稱為多入多出（Multiple-InputMultiple-Output）係統
，指在發射端和接收端同時使用多個天線的通信係統，在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信係統的容量和頻譜利用率。

MIMO技術最早是由馬可尼（Marconi）於1908年提出的，利用多天線來抑製信道衰落。70年代有人提出將多入多出技術用於通信係統，但是對無線移動通信係統多入多出技術產生巨大推動的奠基工作則是90年代由Bell實驗室學者完成的：1995年Telatar給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia給出D-BLAST（DiagonalBellLabsLayeredSpace-Time)算法
；1998年Tarokh等討論了用於多入多出的空時碼；1998年Wolniansky等人采用V-BLAST（VerticalBellLabsLayeredSpace-Time）算法建立了一個MIMO實驗係統，在室內試驗中達到了20bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通係統中極難實現。這些工作受到各國學者的極大注意，並使得MIMO的研究工作得到了迅速發展。

MIMO的3種主要技術

當前，MIMO技術主要通過3種方式來提升無線傳輸速率及品質：

●空間複用（SpatialMultiplexing）：係xi統tong將jiang數shu據ju分fen割ge成cheng多duo份fen，分fen別bie在zai發fa射she端duan的de多duo根gen天tian線xian上shang發fa射she出chu去qu，接jie收shou端duan接jie收shou到dao多duo個ge數shu據ju的de混hun合he信xin號hao後hou，利li用yong不bu同tong空kong間jian信xin道dao間jian獨du立li的de衰shuai落luo特te性xing，區qu分fen出chu這zhe些xie並bing行xing的de數shu據ju流liu。從cong而er達da到dao在zai相xiang同tong的de頻pin率lv資zi源yuan內nei獲huo取qu更geng高gao數shu據ju速su率lv的de目mu的de。

●傳輸分集技術，以空時編碼（SpaceTimeCoding）為代表：在(zai)發(fa)射(she)端(duan)對(dui)數(shu)據(ju)流(liu)進(jin)行(xing)聯(lian)合(he)編(bian)碼(ma)以(yi)減(jian)小(xiao)由(you)於(yu)信(xin)道(dao)衰(shuai)落(luo)和(he)噪(zao)聲(sheng)所(suo)導(dao)致(zhi)的(de)符(fu)號(hao)錯(cuo)誤(wu)率(lv)。空(kong)時(shi)編(bian)碼(ma)通(tong)過(guo)在(zai)發(fa)射(she)端(duan)增(zeng)加(jia)信(xin)號(hao)的(de)冗(rong)餘(yu)度(du)，使(shi)信(xin)號(hao)在(zai)接(jie)收(shou)端(duan)獲(huo)得(de)分(fen)集(ji)增(zeng)益(yi)。

●波束成型（BeamForming）：係統通過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的方向，從而提升信號質量
，並減少對其他用戶的幹擾。

（1）空間複用

kongjianfuyongjishushizaifasheduanfashexianghudulidexinhao
，jieshouduancaiyongganraoyizhidefangfajinxingjiema，cishidekongkouxindaorongliangsuizhetianxianshuliangdezengjiaerxianxingzengda，congernenggouxianzhutigaoxitongdechuanshusulv，canjiantu1。


圖1空間複用的係統示意框圖
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使用空間複用技術時
，接收端必須進行複雜的解碼處理。業界主要的解碼算法有：迫零算法（ZF）
，MMSE算法，最大似然解碼算法（MLD）
，分層空時處理算法（BLAST，BellLabsLayeredSpace-Time）。

其中迫零算法，MMSE算法是線性算法
，比較容易實現，但對信道的信噪比要求較高，性能不佳；MLD算(suan)法(fa)具(ju)有(you)很(hen)好(hao)的(de)譯(yi)碼(ma)性(xing)能(neng)，但(dan)它(ta)的(de)解(jie)碼(ma)複(fu)雜(za)度(du)隨(sui)著(zhe)發(fa)射(she)天(tian)線(xian)個(ge)數(shu)的(de)增(zeng)加(jia)呈(cheng)指(zhi)數(shu)增(zeng)加(jia)
，因(yin)此(ci)，當(dang)發(fa)射(she)天(tian)線(xian)的(de)個(ge)數(shu)很(hen)大(da)時(shi)，這(zhe)種(zhong)算(suan)法(fa)是(shi)不(bu)實(shi)用(yong)的(de)
；綜合前述算法優點的BLAST算法是性能和複雜度最優的。

BLAST算法是Bell實驗室提出的一種有效的空時處理算法，目前已廣泛應用於MIMO係統中。BLAST算法分為D-BLAST算法和V-BLAST算法。

D-BLAST算法是由貝爾實驗室的G.J.Foschini於1996年提出。對於D-BLAST算法，原始數據被分為若幹子數據流，每個子流獨立進行編碼

，而且被循環分配到不同的發射天線。D-BLAST的好處是每個子流的數據都可以通過不同的空間路徑到達接收端
，從而提高了鏈路的可靠性，但其複雜度太大，難以實際使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進的V-BLAST算(suan)法(fa)，該(gai)算(suan)法(fa)不(bu)再(zai)對(dui)所(suo)有(you)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)同(tong)時(shi)解(jie)碼(ma)，而(er)是(shi)先(xian)對(dui)最(zui)強(qiang)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)解(jie)碼(ma)

，然(ran)後(hou)在(zai)接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)中(zhong)減(jian)去(qu)該(gai)最(zui)強(qiang)信(xin)號(hao)，再(zai)對(dui)剩(sheng)餘(yu)信(xin)號(hao)中(zhong)最(zui)強(qiang)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)解(jie)碼(ma)，再(zai)次(ci)減(jian)去(qu)，如(ru)此(ci)循(xun)環(huan)，直(zhi)到(dao)所(suo)有(you)信(xin)號(hao)都(dou)被(bei)解(jie)出(chu)。

2002年10月，世界上第一顆BLAST芯片在貝爾實驗室問世
，這標誌了MIMO技術走向商用的開始。

（2）空時編碼

空kong時shi編bian碼ma通tong過guo在zai發fa射she端duan的de聯lian合he編bian碼ma增zeng加jia信xin號hao的de冗rong餘yu度du，從cong而er使shi信xin號hao在zai接jie受shou端duan獲huo得de分fen集ji增zeng益yi
，但dan空kong時shi編bian碼ma方fang案an不bu能neng提ti高gao數shu據ju率lv。空kong時shi編bian碼ma的de係xi統tong框kuang圖tu參can見jian圖tu2。


圖2空時編碼的係統示意框圖

空時編碼主要分為空時格碼和空時塊碼。

空(kong)時(shi)格(ge)碼(ma)在(zai)不(bu)犧(xi)牲(sheng)係(xi)統(tong)帶(dai)寬(kuan)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)
，能(neng)使(shi)係(xi)統(tong)同(tong)時(shi)獲(huo)得(de)分(fen)集(ji)增(zeng)益(yi)和(he)編(bian)碼(ma)增(zeng)益(yi)。但(dan)是(shi)當(dang)天(tian)線(xian)個(ge)數(shu)一(yi)定(ding)時(shi)，空(kong)時(shi)格(ge)碼(ma)的(de)解(jie)碼(ma)複(fu)雜(za)度(du)隨(sui)著(zhe)分(fen)集(ji)程(cheng)度(du)和(he)發(fa)射(she)速(su)率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)呈(cheng)指(zhi)數(shu)增(zeng)加(jia)。

為減小接收機的解碼複雜度，Alamouti提出了空時塊碼（STBC）的概念，STBC使得接收端隻需采用簡單的線形處理進行解碼，從而降低了接收機的複雜度。

（3）波束成型

波束成型技術又稱為智能天線（SmartAntenna）
，通過對多根天線輸出信號的相關性進行相位加權
，使信號在某個方向形成同相疊加（ConstructiveInterference）
，在其他方向形成相位抵消（DestructiveInterference）

，從而實現信號的增益
，參見圖3。


圖3定向智能天線的信號仿真效果
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當係統發射端能夠獲取信道狀態信息時（如TDD係統），係統會根據信道狀態調整每根天線發射信號的相位（數據相同），以保證在目標方向達到最大的增益；當係統發射端不知道信道狀態時，可以采用隨機波束成形方法實現多用戶分集。

三種技術的優缺點及應用場景

空間複用能最大化MIMO係統的平均發射速率，但隻能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時使用
，可能無法使用高階調製方式，如16QAM等。

無線信號在密集城區
、室內覆蓋等環境中會頻繁反射，使得多個空間信道之間的衰落特性更加獨立，從而使得空間複用的效果更加明顯。

無線信號在市郊、農村地區，多徑分量少，各空間信道之間的相關性較大，因此空間複用的效果要差許多。

duifashexinhaojinxingkongshibianmakeyihuodeewaidefenjizengyihebianmazengyi，congerkeyizaixinzaobixiangduijiaoxiaodewuxianhuanjingxiashiyonggaojietiaozhifangshi
，danwufahuoqukongjianbingxingxindaodailaidesulvhongli。kongshibianmajishuzaiwuxianxiangguanxingjiaodadechangheyenenghenhaodefahuixiaoneng。

因此，在MIMO的(de)實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)中(zhong)，空(kong)間(jian)複(fu)用(yong)技(ji)術(shu)往(wang)往(wang)和(he)空(kong)時(shi)編(bian)碼(ma)結(jie)合(he)使(shi)用(yong)。當(dang)信(xin)道(dao)處(chu)於(yu)理(li)想(xiang)狀(zhuang)態(tai)或(huo)信(xin)道(dao)間(jian)相(xiang)關(guan)性(xing)小(xiao)時(shi)
，發(fa)射(she)端(duan)采(cai)用(yong)空(kong)間(jian)複(fu)用(yong)的(de)發(fa)射(she)方(fang)案(an)，例(li)如(ru)密(mi)集(ji)城(cheng)區(qu)、室內覆蓋等場景；當信道間相關性大時，采用空時編碼的發射方案
，例如市郊、農村地區。這也是3GPP在FDD係統中推薦的方式。

波束成型技術在能夠獲取信道狀態信息時，可以實現較好的信號增益及幹擾抑製，因此比較適合TDD係統。

波束成型技術不適合密集城區、室內覆蓋等環境，由於反射的原因，一方麵接收端會收到太多路徑的信號，導致相位疊加的效果不佳
；另一方麵，大量的多徑信號會導致DOA信息估算困難。

MIMO技術在3G的應用

綜合使用空間複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揮出良好的效果，3GPP組織也正是因為這一點，將MIMO技術納入了HSPA+標準（R7版本）。

出於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，采用了單天線發射。也就是說，MIMO的效用主要是用在下行

，上行隻是進行傳輸天線選擇。

HSPA+中，MIMO規定了下行的Precoding預編碼矩陣
，包括4種形式：

●空間複用（SpatialMultiplexing）。
●空時塊碼（SpaceTimeBlockCoding）。
●波束成型（BeamForming）。
●發射分集（TransmitDiversity）。

在實際使用中，由基站根據無線環境的不同自動選擇使用。

在HSPA+上行方麵

，MIMO技術有兩種天線選擇方案
，即開環和閉環。

●開環方案即TSTD（時分切換傳輸分集）
，上行數據輪流在天線間交替發送，從而避免單條信道的快衰落
，參見圖4。


圖4開環天線選擇方案

●閉環方案中，終端必須從不同的天線發送參考符號
，由基站進行信道質量測量，然後選擇信道質量好的天線進行數據發送
，參見圖5。


圖5閉環天線選擇方案

MIMO技術能夠大大提高頻譜利用率，使得係統能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數據業務。作為MIMO技術的發明者，阿爾卡特朗訊首先提出將MIMO技術加入3GPP標準
，並積極推動MIMO技術在HSPA+的應用。我們相信
，MIMO技術必將在未來的移動網絡中占據重要的位置。