關于BTS 系統中開環和閉環 MIMO 的應用

多輸入多輸出(MIMO)是未來有望實現無線數據系統所需高速數據速率的技術之一。多數據流可通過 MIMO進行傳輸，從而增加了系統的吞吐量。目前，大多數3G和4G無線標準如WiMAX、TD-SCDMA和LTE等都采用了MIMO。

傳統方法中，接收機(Rx)和發射機(Tx)不會進行往復通信。Rx需單獨計算出信道信息，解碼數據流。這給Rx造成了沉重而復雜的負擔，也使系統無法完全利用信道的分集或容量。這些系統被稱為開環系統。

最新的無線標準是在手機和基站(BTS)之間分配一個有限的反饋信道。這一信道有多種用途，特別是將信道的重要信息發送回BTS。該信息可實現簡單的空間分集和復用技術，后者增加了系統的有效信噪比(SNR)，并潛在性地簡化了Rx架構。這些系統稱作閉環系統。

學術文獻對理論限制進行了大量研究，卻很少涉及電路實現復雜性方面的內容。本文將講述MIMO開環和閉環技術如何在復雜度和性能之間進行權衡，并提供實際系統的經驗法則。

開環MIMO

對于單發射天線或SIMO系統，Rx利用MRC技術整合來自多個接收天線的數據流，以實現分集增益。而多個發射天線的信道更復雜，兩個不同的傳輸流間會出現干擾。如果Tx沒有信道信息，Rx單獨使用MIMO容量，這通常需要非常復雜的算法。

空間復用

空間復用是一種非常著名的開環MIMO技術，廣泛應用于無線系統。每個發射天線送出不同的數據流。

圖1：2x2 空間復用系統。

圖1是一個2x2的空間復用系統，可以建模為：

(1)

其中x代表發射信號向量，H代表信道矩陣，n代表增加的噪聲向量，y代表接收信號向量。為了根據接收信號y評估發射信號x，直接的方法就是用迫零(zero forcing)或MMSE等逆信道矩陣乘以y。然而，這并非最佳檢測方法。

最理想的檢測方法可利用最大似然法(ML)準則。在大多數情況下，發射信號向量最大限度縮短了與接收信號向量y相關的歐幾里得距離，因此，可以通過尋找發射信號向量來執行最大似然法。

(2)

可惜，計算的復雜性也隨著發射天線和可能的星座點的數量呈指數增加，這使最大似然法無法適于實際用途。

球形解碼(sphere decoding)雖然不是最理想的ML解決方案，卻是一種廣泛使用的方法。球形解碼算法的原理，是在球半徑內搜索離接收信號最近的格點。在球半徑內，格點場的每個格點都代表一個碼字。球形解碼顯著降低了檢測的復雜性，其性能可與ML檢測方法相匹敵。

然而，盡管球形解碼算法已經降低了復雜性，卻不適于實施大量天線和64QAM等高調制率。

空時碼

另一個廣泛采用的開環MIMO是空時碼。利用空時碼，一個數據流可以用多個發射天線傳輸，但是信號編碼利用多個天線中的獨立衰落，以實現空間分集。

圖2：典型的Alamouti碼。

目前，最受歡迎的空時碼是Alamouti碼，已被許多無線標準采用。圖2為典型Alamouti碼，其數學方程式表述如下：

(3)