0 前言

多入多出（MIMO）系統指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線(xiàn)的通信系統。研究證明，MIMO技術(shù)非常適用于城市內復雜無(wú)線(xiàn)信號傳播環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統，在室內傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達到20～40 bit/s/Hz；而使用傳統無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在移動(dòng)蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz，在點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射頻信號多徑會(huì )引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIMO系統來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO技術(shù)作為提高數據傳輸速率的重要手段得到人們越來(lái)越多的關(guān)注，被認為是新一代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的革命。

1 MIMO系統的3種主要技術(shù)

當前，MIMO技術(shù)主要利用發(fā)射分集的空時(shí)編碼、空間復用和波束成型等3種多天線(xiàn)技術(shù)來(lái)提升無(wú)線(xiàn)傳輸速率及品質(zhì)。

1.1 發(fā)射分集的空時(shí)編碼

基于發(fā)射分集技術(shù)的空時(shí)編碼主要有2種，即空時(shí)分組碼（STBC）和空時(shí)格碼（STTC）。雖然空時(shí)編碼方案不能直接提高數據率，但是通過(guò)這些并行空間信道獨立、不相關(guān)地傳輸信息，從而使信號在接收端獲得分集增益，為數據實(shí)現高階調制創(chuàng )造條件。

1.1.1 空時(shí)分組碼（STBC）

STBC在發(fā)射端對數據流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，它通過(guò)在發(fā)射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益，空時(shí)分組碼是將同一信息經(jīng)過(guò)正交編碼后從多根天線(xiàn)發(fā)射出去。MIMO系統的原理如圖1所示，傳輸信息流s（k）經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci（k），i=1，．．．，N。這N個(gè)信息子流由N個(gè)天線(xiàn)發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線(xiàn)接收。多天線(xiàn)接收機利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開(kāi)并解碼這些數據子流，從而實(shí)現最佳的處理。特別是這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)射信號，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線(xiàn)間的通道響應獨立不相關(guān)，則多入多出系統可以創(chuàng )造多個(gè)并行空間信道。

STBC是1998年，Alamouti提出的一種非常簡(jiǎn)單的發(fā)射分集技術(shù)，由于其簡(jiǎn)單的結構和良好的性能，很快進(jìn)入了3GPP標準。STBC實(shí)質(zhì)上是將同一信息經(jīng)過(guò)正交編碼后從2個(gè)天線(xiàn)上發(fā)射出去，2路信號由于具有正交性，在接收端就能將2路獨立的信號區別出來(lái)，只需要做簡(jiǎn)單的線(xiàn)性合并就可以獲得分集增益。

但是，STBC的正交碼組的構建還存在一定的問(wèn)題。對于實(shí)數信號星座（PAM星座），它才可以構造編碼速率為1的空時(shí)編碼算法。但是，對于一個(gè)普通的復數信號星座，例如MQAM（如16QAM）或MPSK（如8PSK），當發(fā)射天線(xiàn)陣子數目大于2時(shí)，是否存在編碼速率為1的碼組還有待更深入的研究。目前對于發(fā)射天線(xiàn)陣子數目等于3、4以及大于4的系統，如果采用復數信號星座，那么最大的空時(shí)編碼速率只能達到3/4和1/2�？梢�(jiàn)，對于采用高階調制的高速率多天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)通信系統，如果直接采用空時(shí)分組編碼算法，不可能充分地利用系統的有效性。因此，尋找更好的空時(shí)分組碼目前已成為一個(gè)研究方向；另外，如何在頻率選擇性信道、時(shí)間選擇性信道中充分利用空時(shí)分組碼的優(yōu)勢也是一個(gè)研究課題�？傊�，當前STBC還是基于發(fā)射天線(xiàn)陣子數目等于2的發(fā)射分集技術(shù)。

1.1.2 空時(shí)格碼（STTC）

STTC是從空時(shí)延遲分集發(fā)展來(lái)的，而空時(shí)延遲分集可以看作是空時(shí)格碼的一個(gè)特例�？諘r(shí)格碼具有卷積碼的特征，它將編碼、調制、發(fā)射分集結合在一起，可以同時(shí)獲得分集增益和編碼增益，并且使得系統的性能有很大的提升�？諘r(shí)格碼利用某種網(wǎng)格圖，將同一信息通過(guò)多個(gè)天線(xiàn)發(fā)射出去，在接收端采用基于歐式距離的Viterbi譯碼器譯碼。因此譯碼復雜度較高，而且譯碼復雜度將隨著(zhù)傳輸速率的增加呈指數增加。

早期的分集模型采用延時(shí)發(fā)送分集，這種分集的框圖如圖2所示。編碼后的數據首先被重復一次，然后通過(guò)一個(gè)串/并轉換器，分成2個(gè)完全相同的數據流。其中一數據流經(jīng)過(guò)調制后直接從一個(gè)天線(xiàn)發(fā)送出去；另一數據流經(jīng)過(guò)一個(gè)符號的延時(shí)后，再經(jīng)調制從另一個(gè)天線(xiàn)發(fā)送出去。由于數據在2個(gè)天線(xiàn)上同時(shí)發(fā)送，不同的只是一路數據被延時(shí)了一個(gè)符號，所以盡管采用了延時(shí)編碼，卻不會(huì )存在頻帶效率的損失。在接收端，通過(guò)Viterbi譯碼可以進(jìn)行解調。這種延時(shí)的分集就是空時(shí)碼的雛形�？梢宰C明當前所講的STTC可以由延時(shí)發(fā)送分集實(shí)現。

延時(shí)分集技術(shù)的產(chǎn)生使人們很自然地想到，能否存在一種更好的編碼方式，不需要重復編碼，就能在保持同樣的數據速率、不犧牲帶寬的情況下獲得更好的性能，這樣就產(chǎn)生了一種新的編碼方式，這就是集空分、時(shí)分、調制于一體的空時(shí)編碼。

在空時(shí)編碼中，STTC能夠在不增加傳送寬帶和不改變信息速率的情況下，獲得最大的編碼增益和分集增益。

1.2 空間復用

系統將數據分割成多份，分別在發(fā)射端的多個(gè)天線(xiàn)上發(fā)射出去，接收端接收到多個(gè)數據的混合信號后，利用不同空間信道間獨立的衰落特性，區分出這些并行的數據流。從而達到在相同的頻率資源內獲取更高數據速率的目的�？臻g復用與發(fā)射分集技術(shù)不同，它在不同天線(xiàn)上發(fā)射不同信息。

空間復用技術(shù)是在發(fā)射端發(fā)射相互獨立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，此時(shí)的空口信道容量隨著(zhù)天線(xiàn)數量的增加而線(xiàn)性增大，從而能夠顯著(zhù)提高系統的傳輸速率（見(jiàn)圖3）。

使用空間復用技術(shù)時(shí)，接收端必須進(jìn)行復雜的解碼處理。業(yè)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）和貝爾實(shí)驗室分層空時(shí)處理算法（BLAST）。

迫零算法，MMSE算法是線(xiàn)性算法，比較容易實(shí)現，但對信道的信噪比要求較高，性能不佳；MLD算法具有很好的譯碼性能，但它的解碼復雜度隨著(zhù)發(fā)射天線(xiàn)數量的增加呈指數增加，因此，當發(fā)射天線(xiàn)的數量很大時(shí)，這種算法是不實(shí)用的；綜合前述算法優(yōu)點(diǎn)的BLAST算法是性能和復雜度最優(yōu)的。

BLAST算法是貝爾實(shí)驗室提出的一種有效的空時(shí)處理算法，目前已廣泛應用于MIMO系統中。BLAST算法分為D-BLAST算法和V-BLAST算法。

D-BLAST算法是由貝爾實(shí)驗室的G.J.Foschini于1996年提出的。對于D-BLAST算法，原始數據被分為若干子數據流，每個(gè)子流獨立進(jìn)行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線(xiàn)。D-BLAST的好處是每個(gè)子流的數據都可以通過(guò)不同的空間路徑到達接收端，從而提高了鏈路的可靠性，但其復雜度太大，難以實(shí)際使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進(jìn)的V-BLAST算法，該算法不再對所有接收到的信號同時(shí)解碼，而是先對最強信號進(jìn)行解碼，然后在接收信號中減去最強信號，再對剩余信號中最強信號進(jìn)行解碼，再次減去，如此循環(huán)，直到所有信號都被解出。

2002年10月，世界上第一個(gè)BLAST芯片在貝爾實(shí)驗室問(wèn)世，這標志著(zhù)MIMO技術(shù)走向商用的開(kāi)始。

1.3 波束成型技術(shù)

波束成型技術(shù)又稱(chēng)為智能天線(xiàn)，通過(guò)對多個(gè)天線(xiàn)輸出信號的相關(guān)性進(jìn)行相位加權，使信號在某個(gè)方向形成同相疊加，在其他方向形成相位抵消，從而實(shí)現信號的增益。

當系統發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)（如TDD系統），系統會(huì )根據信道狀態(tài)調整每個(gè)天線(xiàn)發(fā)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；當系統發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時(shí)，可以采用隨機波束成形方法實(shí)現多用戶(hù)分集。

2  3種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應用場(chǎng)景

空間復用能最大化MIMO系統的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時(shí)使用，可能無(wú)法使用高階調制方式（如16QAM等）。

無(wú)線(xiàn)信號在密集城區、室內覆蓋等環(huán)境中會(huì )頻繁反射，使得多個(gè)空間信道之間的衰落特性更加獨立，從而使得空間復用的效果更加明顯。

無(wú)線(xiàn)信號在市郊、農村地區，多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空間復用的效果要差許多。

對發(fā)射信號進(jìn)行空時(shí)編碼可以獲得額外的分集增益和編碼增益，從而可以在信噪比相對較小的無(wú)線(xiàn)環(huán)境下使用高階調制方式，但無(wú)法獲取空間并行信道帶來(lái)的速率紅利�？諘r(shí)編碼技術(shù)在無(wú)線(xiàn)相關(guān)性較大的場(chǎng)合也能很好地發(fā)揮效能。

因此，在MIMO的實(shí)際使用中，空間復用技術(shù)往往和空時(shí)編碼結合使用。當信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性小時(shí)，發(fā)射端采用空間復用的發(fā)射方案，例如密集城區、室內覆蓋等場(chǎng)景；當信道間相關(guān)性大時(shí)，采用空時(shí)編碼的發(fā)射方案，例如市郊、農村地區。這也是3GPP在FDD系統中推薦的方式。

波束成型技術(shù)在能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)，可以實(shí)現較好的信號增益及干擾抑制，因此比較適合TDD系統。

依據文獻［4］，波束成型技術(shù)不適合密集城區、室內覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因，一方面接收端會(huì )收到太多路徑的信號，導致相位疊加的效果不佳；另一方面，大量的多徑信號會(huì )導致DOA信息估算困難。

3 二重接收分集技術(shù)的數據速率提升作用

3G（WCDMA）室內空間二重分集接收的實(shí)測數據速率，也可說(shuō)明多天線(xiàn)作用。室內分布空間二重分集接收如圖4所示。

從表1可看出室內覆蓋，二重分集接收速率提升2倍以上。

相關(guān)的規劃設計人員應該思考在大樓內建3G基站，該花的錢(qián)，如基站主設備、物業(yè)、管道、基房、配套電源及空調等等加起來(lái)恐怕不會(huì )少于10萬(wàn)元，但僅僅缺少一路主饋線(xiàn)（200 m 0.6萬(wàn)元）不能用于分集（注意，原2天線(xiàn)1~2之間8 m沒(méi)有分集），現改為分集，使得系統數據容量翻倍。

4 不強不弱的均勻信號覆蓋對數據速率的影響

在3G/4G技術(shù)中，MIMO技術(shù)理論上為數據實(shí)現高階調制，但是在實(shí)際覆蓋區內信號太強或太弱都不可能實(shí)現數據高階調制，只有不強不弱的均勻信號才能采用數據高階調制，從而得到數據速率的提升。

4.1 泰爾實(shí)驗室實(shí)測數據［5］

泰爾實(shí)驗室實(shí)測WLAN（OFDM）數據速率與場(chǎng)強關(guān)系見(jiàn)表2。

4.2 A8 Super Wi-Fi設備性能

京信公司無(wú)線(xiàn)傳輸與接入事業(yè)部提供的A8 Super Wi-Fi設備性能見(jiàn)表3。

實(shí)際工程為了90%無(wú)線(xiàn)覆蓋區可接入系統，應有8dB陰影衰落儲備，因此其覆蓋電平對應數據速率應如表3所示。

4.3 結論
從表2和表3可看出當接收機輸入電平為-82dBm時(shí)，數據速率僅為6 Mbit/s，當接收機輸入電平為-65dBm時(shí)，數據速率達到54 Mbit/s，數據速率提升9倍，說(shuō)明未來(lái)LTE基站邊界電平應取-75dBm，而不是2G時(shí)代的-85dBm。

5 未來(lái)MIMO天線(xiàn)建設模式

將可能有2種天線(xiàn)建設模式：即2G/3G時(shí)代的宏基站天線(xiàn)建設模式和分布式天線(xiàn)建設模式。

5.1 宏基站天線(xiàn)建設模式

宏基站天線(xiàn)建設模式如圖5所示，將MIMO天線(xiàn)放在3扇區中心的30 m高塔上。圖6示出的是宏基站覆蓋信號電平分布示意圖。

5.2 分布式天線(xiàn)建設模式

圖7示出的是文獻［3］給出的建設模式。圖7中1+6個(gè)近遠端覆蓋范圍等于1個(gè)宏基站覆蓋范圍。覆蓋區內采取小功率、多天線(xiàn)的模式進(jìn)行覆蓋。天線(xiàn)掛高不宜過(guò)高（8m左右）；室外天線(xiàn)口功率為15~30dBm；市區天線(xiàn)覆蓋半徑在150 m以?xún)取?br />

無(wú)線(xiàn)區域中心地理位置位于片區中心，射頻拉遠遠端機以無(wú)線(xiàn)區域中心為圓心向各個(gè)方向拉遠覆蓋。

比較圖6和圖8可以發(fā)現：采用分布式天線(xiàn)建設模式可以得到不強不弱的信號覆蓋，依據文獻［3］和［5］，數據速率將提升3倍以上，因此，MIMO應采用分布式天線(xiàn)建設模式。采用當前3G的宏基站天線(xiàn)建設模式時(shí)，最大問(wèn)題是覆蓋區內信號電平分布極不均勻，信號功率按距離四次方衰減，覆蓋區內有一半區域（信號電平為-75~-85dBm）不能提供高速率數據，此時(shí)需大量的中繼拉遠設備（無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)光纖拉遠設備）來(lái)覆蓋信號陰影區，才能保證95%區域信號電平達到-75dBm以上，否則會(huì )回到2G時(shí)代只能提供低速率數據。

6 當前密集城區使用智能天線(xiàn)問(wèn)題討論

上文提到MIMO技術(shù)有波束成型和分集，它們最大區別是前者的直列陣子相關(guān)性很強，直列陣子之間距離在0.5個(gè)波長(cháng)之內。后者直列陣子相關(guān)性很差，陣子之間距離在10個(gè)波長(cháng)之上稱(chēng)為空間分集或用交叉極化天線(xiàn)來(lái)達到分集效果。那么當前TD-SCDMA在密集城區使用標準的垂直極化智能天線(xiàn)效果如何，其實(shí)早就發(fā)現問(wèn)題，實(shí)際還不如將垂直極化天線(xiàn)陣（8列垂直極化天線(xiàn)陣）換成交叉極化天線(xiàn)陣（4×2交叉極化天線(xiàn)陣）。此時(shí)智能天線(xiàn)作用被弱化，分集作用加強，這就是TD-SCDMA有8通道分集，其中4通道+45°與另外的4通道-45°實(shí)現交叉極化二重分集。

建議對于密集城區，每個(gè)扇區采用四重分集（4×4 MIMO天線(xiàn)）。

可將當前的2 W 8通道，減為10 W 4通道，用交叉極化分集和空間分集聯(lián)合使用，實(shí)現4通道分集，獲得增益6dB。這樣取消3扇區基站共24（3×8）個(gè)塔放被，將27（3×9）根射頻饋線(xiàn)減為12（3×4）根，81（3×3×9）個(gè)防水接頭減為12（3×4）個(gè)。對于市郊、農村地區，多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此可用垂直極化6（或4）列智能天線(xiàn)，不建議使用交叉極化智能天線(xiàn)。