MIMO天線3種技術分析

0 前言

多入多出（MIMO）系統(tǒng)指在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線的通信系統(tǒng)。研究證明，MIMO技術非常適用于城市內(nèi)復雜無線信號傳播環(huán)境下的無線寬帶通信系統(tǒng)，在室內(nèi)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(tǒng)無線通信技術在移動蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz，在點到點的固定微波系統(tǒng)中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射頻信號多徑會引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO技術作為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段得到人們越來越多的關注，被認為是新一代無線通信技術的革命。

1 MIMO系統(tǒng)的3種主要技術

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當前，MIMO技術主要利用發(fā)射分集的空時編碼、空間復用和波束成型等3種多天線技術來提升無線傳輸速率及品質。

1.1 發(fā)射分集的空時編碼

基于發(fā)射分集技術的空時編碼主要有2種，即空時分組碼（STBC）和空時格碼（STTC）。雖然空時編碼方案不能直接提高數(shù)據(jù)率，但是通過這些并行空間信道獨立、不相關地傳輸信息，從而使信號在接收端獲得分集增益，為數(shù)據(jù)實現(xiàn)高階調(diào)制創(chuàng)造條件。

1.1.1 空時分組碼（STBC）

STBC在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(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，空時分組碼是將同一信息經(jīng)過正交編碼后從多根天線發(fā)射出去。MIMO系統(tǒng)的原理如圖1所示，傳輸信息流s（k）經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流ci（k），i=1，...，N。這N個信息子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。特別是這N個子流同時發(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)射接收天線間的通道響應獨立不相關，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。

STBC是1998年，Alamouti提出的一種非常簡單的發(fā)射分集技術，由于其簡單的結構和良好的性能，很快進入了3GPP標準。STBC實質上是將同一信息經(jīng)過正交編碼后從2個天線上發(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(qū)別出來，只需要做簡單的線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題。對于實數(shù)信號星座（PAM星座），它才可以構造編碼速率為1的空時編碼算法。但是，對于一個普通的復數(shù)信號星座，例如MQAM（如16QAM）或MPSK（如8PSK），當發(fā)射天線陣子數(shù)目大于2時，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)射天線陣子數(shù)目等于3、4以及大于4的系統(tǒng)，如果采用復數(shù)信號星座，那么最大的空時編碼速率只能達到3/4和1/2?？梢?，對于采用高階調(diào)制的高速率多天線的無線通信系統(tǒng)，如果直接采用空時分組編碼算法，不可能充分地利用系統(tǒng)的有效性。因此，尋找更好的空時分組碼目前已成為一個研究方向；另外，如何在頻率選擇性信道、時間選擇性信道中充分利用空時分組碼的優(yōu)勢也是一個研究課題?？傊?，當前STBC還是基于發(fā)射天線陣子數(shù)目等于2的發(fā)射分集技術。

1.1.2 空時格碼（STTC）

STTC是從空時延遲分集發(fā)展來的，而空時延遲分集可以看作是空時格碼的一個特例?？諘r格碼具有卷積碼的特征，它將編碼、調(diào)制、發(fā)射分集結合在一起，可以同時獲得分集增益和編碼增益，并且使得系統(tǒng)的性能有很大的提升?？諘r格碼利用某種網(wǎng)格圖，將同一信息通過多個天線發(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傳輸速率的增加呈指數(shù)增加。

早期的分集模型采用延時發(fā)送分集，這種分集的框圖如圖2所示。編碼后的數(shù)據(jù)首先被重復一次，然后通過一個串/并轉換器，分成2個完全相同的數(shù)據(jù)流。其中一數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制后直接從一個天線發(fā)送出去；另一數(shù)據(jù)流經(jīng)過一個符號的延時后，再經(jīng)調(diào)制從另一個天線發(fā)送出去。由于數(shù)據(jù)在2個天線上同時發(fā)送，不同的只是一路數(shù)據(jù)被延時了一個符號，所以盡管采用了延時編碼，卻不會存在頻帶效率的損失。在接收端，通過Viterbi譯碼可以進行解調(diào)。這種延時的分集就是空時碼的雛形?？梢宰C明當前所講的STTC可以由延時發(fā)送分集實現(xiàn)。

延時分集技術的產(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(shù)據(jù)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、時分、調(diào)制于一體的空時編碼。

在空時編碼中，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(tǒng)將數(shù)據(jù)分割成多份，分別在發(fā)射端的多個天線上發(fā)射出去，接收端接收到多個數(shù)據(jù)的混合信號后，利用不同空間信道間獨立的衰落特性，區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。從而達到在相同的頻率資源內(nèi)獲取更高數(shù)據(jù)速率的目的。空間復用與發(fā)射分集技術不同，它在不同天線上發(fā)射不同信息。

空間復用技術是在發(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行解碼，此時的空口信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增大，從而能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率（見圖3）。

使用空間復用技術時，接收端必須進行復雜的解碼處理。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）和貝爾實驗室分層空時處理算法（BLAST）。

迫零算法，MMSE算法是線性算法，比較容易實現(xiàn)，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發(fā)射天線數(shù)量的增加呈指數(shù)增加，因此，當發(fā)射天線的數(shù)量很大時，這種算法是不實用的；綜合前述算法優(yōu)點的BLAST算法是性能和復雜度最優(yōu)的。

BLAST算法是貝爾實驗室提出的一種有效的空時處理算法，目前已廣泛應用于MIMO系統(tǒng)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于1996年提出的。對于D-BLAST算法，原始數(shù)據(jù)被分為若干子數(shù)據(jù)流，每個子流獨立進行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線。D-BLAST的好處是每個子流的數(shù)據(jù)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，但其復雜度太大，難以實際使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進的V-BLAST算法，該算法不再對所有接收到的信號同時解碼，而是先對最強信號進行解碼，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BLAST芯片在貝爾實驗室問世，這標志著MIMO技術走向商用的開始。

1.3 波束成型技術

波束成型技術又稱為智能天線，通過對多個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，在其他方向形成相位抵消，從而實現(xiàn)信號的增益。

當系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時（如TDD系統(tǒng)），系統(tǒng)會根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每個天線發(fā)射信號的相位（數(shù)據(jù)相同），以保證在目標方向達到最大的增益；當系統(tǒng)發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時，可以采用隨機波束成形方法實現(xiàn)多用戶分集。

2 3種技術的優(yōu)缺點及應用場景

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

無線信號在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)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，從而使得空間復用的效果更加明顯。

無線信號在市郊、農(nóng)村地區(qū)，多徑分量少，各空間信道之間的相關性較大，因此空間復用的效果要差許多。

對發(fā)射信號進行空時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線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式，但無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利。空時編碼技術在無線相關性較大的場合也能很好地發(fā)揮效能。

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

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

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

3 二重接收分集技術的數(shù)據(jù)速率提升作用

3G（WCDMA）室內(nèi)空間二重分集接收的實測數(shù)據(jù)速率，也可說明多天線作用。室內(nèi)分布空間二重分集接收如圖4所示。

從表1可看出室內(nèi)覆蓋，二重分集接收速率提升2倍以上。

相關的規(guī)劃設計人員應該思考在大樓內(nèi)建3G基站，該花的錢，如基站主設備、物業(yè)、管道、基房、配套電源及空調(diào)等等加起來恐怕不會少于10萬元，但僅僅缺少一路主饋線（200 m 0.6萬元）不能用于分集（注意，原2天線1~2之間8 m沒有分集），現(xiàn)改為分集，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量翻倍。

4 不強不弱的均勻信號覆蓋對數(shù)據(jù)速率的影響

在3G/4G技術中，MIMO技術理論上為數(shù)據(jù)實現(xiàn)高階調(diào)制，但是在實際覆蓋區(qū)內(nèi)信號太強或太弱都不可能實現(xiàn)數(shù)據(jù)高階調(diào)制，只有不強不弱的均勻信號才能采用數(shù)據(jù)高階調(diào)制，從而得到數(shù)據(jù)速率的提升。

4.1 泰爾實驗室實測數(shù)據(jù)［5］

泰爾實驗室實測WLAN（OFDM）數(shù)據(jù)速率與場強關系見表2。

4.2 A8 Super Wi-Fi設備性能

京信公司無線傳輸與接入事業(yè)部提供的A8 Super Wi-Fi設備性能見表3。

實際工程為了90%無線覆蓋區(qū)可接入系統(tǒng)，應有8dB陰影衰落儲備，因此其覆蓋電平對應數(shù)據(jù)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，數(shù)據(jù)速率僅為6 Mbit/s，當接收機輸入電平為-65dBm時，數(shù)據(jù)速率達到54 Mbit/s，數(shù)據(jù)速率提升9倍，說明未來LTE基站邊界電平應取-75dBm，而不是2G時代的-85dBm。

5 未來MIMO天線建設模式

將可能有2種天線建設模式：即2G/3G時代的宏基站天線建設模式和分布式天線建設模式。

5.1 宏基站天線建設模式

宏基站天線建設模式如圖5所示，將MIMO天線放在3扇區(qū)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個近遠端覆蓋范圍等于1個宏基站覆蓋范圍。覆蓋區(qū)內(nèi)采取小功率、多天線的模式進行覆蓋。天線掛高不宜過高（8m左右）；室外天線口功率為15~30dBm；市區(qū)天線覆蓋半徑在150 m以內(nèi)。

無線區(qū)域中心地理位置位于片區(qū)中心，射頻拉遠遠端機以無線區(qū)域中心為圓心向各個方向拉遠覆蓋。

比較圖6和圖8可以發(fā)現(xiàn)：采用分布式天線建設模式可以得到不強不弱的信號覆蓋，依據(jù)文獻［3］和［5］，數(shù)據(jù)速率將提升3倍以上，因此，MIMO應采用分布式天線建設模式。采用當前3G的宏基站天線建設模式時，最大問題是覆蓋區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)有一半?yún)^(qū)域（信號電平為-75~-85dBm）不能提供高速率數(shù)據(jù)，此時需大量的中繼拉遠設備（無線或有線光纖拉遠設備）來覆蓋信號陰影區(qū)，才能保證95%區(qū)域信號電平達到-75dBm以上，否則會回到2G時代只能提供低速率數(shù)據(jù)。

6 當前密集城區(qū)使用智能天線問題討論

上文提到MIMO技術有波束成型和分集，它們最大區(qū)別是前者的直列陣子相關性很強，直列陣子之間距離在0.5個波長之內(nèi)。后者直列陣子相關性很差，陣子之間距離在10個波長之上稱為空間分集或用交叉極化天線來達到分集效果。那么當前TD-SCDMA在密集城區(qū)使用標準的垂直極化智能天線效果如何，其實早就發(fā)現(xiàn)問題，實際還不如將垂直極化天線陣（8列垂直極化天線陣）換成交叉極化天線陣（4×2交叉極化天線陣）。此時智能天線作用被弱化，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°實現(xiàn)交叉極化二重分集。

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

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，實現(xiàn)4通道分集，獲得增益6dB。這樣取消3扇區(qū)基站共24（3×8）個塔放被， 將27（3×9）根射頻饋線減為12（3×4）根，81（3×3×9）個防水接頭減為12（3×4）個。對于市郊、農(nóng)村地區(qū)，多徑分量少，各空間信道之間的相關性較大，因此可用垂直極化6（或4）列智能天線，不建議使用交叉極化智能天線。