3G4G應用中MIMO技術的實現挑戰與解決方案
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表1：適用于3G標準的3G MIMO技術的演進歷程。
表2是3GPP LTE標準TR 25.913的概述，它顯示了在固定64QAM調制深度時，單路輸入單路輸出(SISO)和MIMO天線配置中的性能。這些數字表示在理想的無線條件下(具有信令開銷補償)，頻分雙工(FDD)空中接口的物理限制。
表2：3G MIMO應用(64QAM)的數據速率性能。
在無線通信系統中，在發射機和/或接收機上使用多個天線開辟了一個新的維度空間。如果能夠正確利用這一技術，可以極大地提高性能，它現在被廣泛地稱為MIMO系統。這里的輸入和輸出指的是無線信道。發射機的多個天線意味著有多個信號輸入到無線信道中，接收機的多個天線是指有多個信號從無線信道輸出。圖1是對SISO、SIMO、MISO和MIMO系統的簡單演示。通過本圖，您可以很容易理解對于發射機天線(T)和接收機天線(R)的MIMO系統來說，如果每個發射接收天線對之間的信道獨立進行衰落，則信道分集階數為T×R。
圖1：SISO、SIMO、MISO和MIMO系統之間的關系。
不同的MIMO應用
在一個密集的多徑散射環境中，MIMO系統可充分利用通過空間分隔的天線獲得空間分集。MIMO系統能夠通過許多不同方法來實施，以獲得抵抗信號衰落的分集增益或者容量增益。通常，MIMO技術具有三種類型。第一類旨在通過最大化空間分集提高功率效率。此類技術包括延遲分集、空時分組編碼(STBC)和空時網格碼(STTC)。第二類利用豐富的散射環境中的空間復用，通過天線傳輸相互獨立的數據信號，以提高數據速率，但通常不能夠達到完整的空間分集。第三類利用的是發射機的信道信息，又稱為波束賦形。它利用信道信息建立波束賦形矩陣，作為發射機和接收機的前置濾波器和后置濾波器的，以實現容量增益。
空間分集
無線信道中信號功率的波動非常快速。信號功率顯著下降時，信道處于衰落狀態。分集用于在無線信道中抵抗衰落。接收天線分集可在SIMO通道中使用。接收天線接收同一信號獨立的衰落狀態，并與這些信號相結合，使得合成信號的幅度變化小于任一天線的信號。通常使用獨立衰落信道數來描述分集的特征，這一數目也稱為分集階數，并且如果同一發射天線針對所有接收天線的信道具有獨立的衰落特性，則分集與SIMO信道中接收天線的數量相等。發射分集適用于MISO信道并且已經成為備受關注的研究領域。提取分集需要適當的設計發射信號。在接收機上使用合適的組合方案，以獲得分集增益。如果所有發射天線到同一接收天線的信道具有獨立的衰落特性，則該信道的分集與發射天線的數量相等。
圖2：(a) Alamouti空時編碼發射機結構；(b) 空間復用發射機結構；(c) 波束賦形發射機結構。
圖2給出了一個簡單的發射機分集方案實例，也稱為Alamouti空時編碼。在指定的符碼周期，兩個天線同時發出兩個信號。在符碼周期t1，分別從天線0和天線1發送信號s0和s1，在下一個符碼周期t2內，天線0發送信號-s1*，天線1發送信號s0*，其中()*是復共軛運算。這一序列如圖2所示。編碼是在空時編碼中完成的，也可在空頻編碼中完成。可使用兩個相鄰的載波(空頻編碼)來替代兩個相鄰的符碼周期。使用MIMO信道的分集需要將上述發射和接收分集相結合。如果每個發射接收天線對之間的信道獨立衰落，則分集順序與發射和接收天線的數量相等。
空間復用
空間復用可以為相同帶寬的信號提供線性增長的傳輸速率，而且不會造成額外的功率損耗。
圖2(a)給出了含有兩個發射天線的簡單的空間復用系統，這一概念可擴展到更普遍的MIMO系統中。發射的比特流被去復用到兩個具有一半速率的子比特流中，由每個發射天線同時進行調制和發射。例如在圖2(a)中，在符碼周期t1內，天線0發射符號s0，從天線1發射符號s1。在符碼周期t2內，天線0發射符號s2，天線1發射符號s3。因此，發射速率是SISO系統的兩倍。在最佳的信道條件下，接收機端接收到的信號的空間特性,可以被很好的分離。接收機根據信道信息可以對兩個同信道信號進行區別和提取。進行解調之后，子比特流能夠相互結合產生原始比特流。所以，空間復用所能提高的傳輸速率與發射接收天線對的數量成正比。空間復用還可用于多用戶格式，也就是空分多址或SDMA。假設兩個用戶發射獨立的信號，這兩個信號均到達一個配有兩個天線的基站。該基站可以分離這兩個信號，以支持兩個用戶同時使用信道。這使容量能夠根據基站的天線數量和用戶數量成比例的增加。
波束賦形
在空間分集和空間復用中，通常認為發射機不了解信道信息。當發射機具備信道信息時，可改善系統性能。信道信息可以是完整的也可以是部分的。完整的信道信息意味著發射機已知信道矩陣。部分信息可能指的是瞬時信道的某些參數(例如矩陣信道的條件數)或統計特性(例如發射或接收的相關特性)。圖2(b)顯示了使用信道信息的預編碼框架。發射信號(S0，S1)與預編碼相乘，這可以解釋為波束賦形。經過預編碼之后，兩個分離的數據流可從兩個發射天線同時發送，作為空間復用，但是矩陣編碼器將根據信道信息發生變化。假設發射機已經知道發射相關矩陣，則可以使用相關矩陣的特征矩陣建立預編碼矩陣，以優化遍歷容量。將2×2預編碼矩陣表示為W，則符碼周期t1內的發射符碼為：
同樣，可以使用預編碼矩陣表示發射符碼×2和×3。在這個預編碼方案中，傳輸速率與發射接收天線對的數量成正比。
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