MIMO在WiMAX和LTE中的應用及測試解決方案

　　MIMO出現的背景

　　隨著無線通信的迅速發展，對系統的容量和頻譜效率提出了越來越高的要求。為此人們作出了各種努力，如擴展系統帶寬，優化調制方式，或者采用復雜的碼分多址系統等來滿足這一要求。但這些方法的應用終歸是有限的。很顯然，帶寬不可能無限的擴展，調制階數不可能無限的增高，碼分多址系統信道之間不可能理想的正交。為此，MIMO（Mutiple input Mutiple output）系統應運而生，它通過采用空時編碼（STC）,利用多天線陣列實現空分復用，在有限的帶寬內極大地提高了頻譜效率。因此，MIMO成為Wimax, LTE, 802.11n以及幾乎所有未來‘熱門’的無線通信系統所必不可少的關鍵技術之一。

　　MIMO與OFDM

　　MIMO適用于所有的無線通信技術。它與OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)的結合應用更具優勢。MIMO系統的信道模型是建立在非頻率選擇性的窄帶信道基礎之上，而OFDM通過許多正交的子載波將寬帶系統窄帶化，且通過前向糾錯技術（FEC），能很好地對抗頻率選擇性衰落。此外，OFDM還為MIMO提供了更多的自由度，即允許空時編碼的時間尺度可以應用于某幾個子載波，從而實現更優的系統性能。

　　表1列出了MIMO在目前一些‘熱門’通信標準中的應用，其中除3GPP Release 7外，其它標準均采用OFDM技術。

　　MIMO系統實現上的考慮

　　MIMO系統要求傳輸信道之間盡可能的互不相關，因此除了選擇適當的編碼方式和應用于高‘散射’的信號傳輸環境之外，還要求天線之間必須有足夠的距離（在BS端大約為10~20倍信號波長，在MS端至少為一倍信號波長）。此外，更多的天線及收發鏈路意味著更大的硬件、空間占用和功率消耗。因此對于MS側，兩根天線以上的MIMO方案是很難實現的，在BS側，發射天線的數目也會受到一定的限制。

　　WiMAX對MIMO的支持

　　IEEE 802.16-2004 標準對MIMO的支持比較有限，僅考慮了Alamouti 編碼方案，而且不是強制的。IEEE 802.16e 對 MIMO提供了強有力的支持，對于Downlink, 它既支持空分復用，也支持空間分集，其方案如圖1。

　　對于Uplink，IEEE 802.16e也定義了幾種可供選擇的方案，如圖2所示。但對于移動WiMAX，只采用了Collaborative SM方案，在這種方案下，各自只帶一根天線的兩臺MS在相同時間相同信道上發送不同的數據，它們之間通過導頻（pilot）符號來區分。

　　LTE對MIMO的支持

　　LTE采用2X2配置作為MIMO的基本配置，即基站和終端各兩根天線，未來也考慮4X4配置。在下行方向，LTE MIMO同時支持空分復用和空間分集兩種模式。這些下行的數據流可以屬于同一用戶（single user MIMO / SU-MIMO)，也可以是不同的用戶 (multi user MIMO / MU-MIMO)。

　　LTE有兩個固定的碼字用于不同空間層的映射，且該映射關系固定。空間層的個數等于信道矩陣的‘秩’，也即能同時傳輸的獨立數據流個數。當該矩陣的‘秩’為1時，就使用發射分集的方式，這時只需要傳輸一個碼字。

　　在空分多址模式下，通過對信號乘以一個預編碼矩陣進行預編碼，該矩陣從預定義好的碼字集（codebook）中選取。UE通過估計信道質量選取較優的預編碼矩陣后，通過上行控制信道反饋給BS。對不同的數據塊可選擇不同的預編碼矩陣。其下行基帶信號的產生框圖如圖3：

　　在發射分集模式下，與WiMAX不同，LTE 采用SFBC（Space Frequency Block Coding）編碼，即在某一時刻，天線端口發送相同的數據符號，但這些數據映射在不同的子載波上，且具有不同的編碼。

　　LTE上行MIMO采用了MU-MIMO（Multiple user MIMO）方式，與WiMAX的Collaborative SM方案非常類似，每個UE只需要一根天線，在相同的資源塊上同時發送數據，它們通過彼此正交的導頻符號來區分。

　　RS公司MIMO測試解決方案

　　作為無線測試領域的引導者，RS公司提供了業界領先的MIMO測試解決方案。對于2X2 MIMO，在信號發生端，對于頻率3GHz以下的應用，只需要在RS公司的雙通道矢量信號源RS SMU200A（業界唯一內置信道模擬功能的雙通道矢量信號源）上添加一個MIMO選件即可。

　　以WiMAX為例，添加MIMO選件后，可以很方便地支持Matrix A，Matrix B兩種模式，而且可自由選擇該路基帶模擬天線0或者天線1。對于LTE MIMO的支持也同樣非常方便。