今天，先進(jìn)的3G/4G(HSPA+、 LTE和IMT-advanced)應(yīng)用普遍采用多路輸入多路輸出(MIMO)技術(shù)。借助增強(qiáng)的頻譜效率，MIMO能夠保證實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，并通過(guò)將電子信息嵌入到空間處理單元來(lái)提高無(wú)線系統(tǒng)的性能?？臻g處理包括在發(fā)射機(jī)上進(jìn)行空間預(yù)編碼和在接收機(jī)上進(jìn)行空間后編碼，從信息信號(hào)處理理論角度講，它們彼此之間進(jìn)行的是雙重處理。MIMO技術(shù)與正交頻分多路復(fù)用(OFDM) 相結(jié)合可以充分利用無(wú)線信道空間分集和多徑的特征，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的3G寬帶無(wú)線通信和高頻譜利用率。

表1：適用于3G標(biāo)準(zhǔn)的3G MIMO技術(shù)的演進(jìn)歷程。

　　表2是3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)TR 25.913的概述，它顯示了在固定6?QAM調(diào)制深度時(shí)，單路輸入單路輸出(SISO)和MIMO天線配置中的性能。這些數(shù)字表示在理想的無(wú)線條件下(具有信令開銷補(bǔ)償)，頻分雙工(FDD)空中接口的物理限制。

表 2：3G MIMO應(yīng)用(6?QAM)的數(shù)據(jù)速率性能。

　　在無(wú)線通信系統(tǒng)中，在發(fā)射機(jī)和/或接收機(jī)上使用多個(gè)天線開辟了一個(gè)新的維度空間。如果能夠正確利用這一技術(shù)，可以極大地提高性能，它現(xiàn)在被廣泛地稱為MIMO系統(tǒng)。這里的輸入和輸出指的是無(wú)線信道。發(fā)射機(jī)的多個(gè)天線意味著有多個(gè)信號(hào)輸入到無(wú)線信道中，接收機(jī)的多個(gè)天線是指有多個(gè)信號(hào)從無(wú)線信道輸出。圖1是對(duì)SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)的簡(jiǎn)單演示。通過(guò)本圖，您可以很容易理解對(duì)于發(fā)射機(jī)天線(T)和接收機(jī)天線(R)的MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果每個(gè)發(fā)射接收天線對(duì)之間的信道獨(dú)立進(jìn)行衰落，則信道分集階數(shù)為T×R。

圖 1：SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)之間的關(guān)系。

　　不同的MIMO應(yīng)用

　　在一個(gè)密集的多徑散射環(huán)境中，MIMO系統(tǒng)可充分利用通過(guò)空間分隔的天線獲得空間分集。MIMO系統(tǒng)能夠通過(guò)許多不同方法來(lái)實(shí)施，以獲得抵抗信號(hào)衰落的分集增益或者容量增益。通常，MIMO技術(shù)具有三種類型。第一類旨在通過(guò)最大化空間分集提高功率效率。此類技術(shù)包括延遲分集、空時(shí)分組編碼(STBC)和空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC)。第二類利用豐富的散射環(huán)境中的空間復(fù)用，通過(guò)天線傳輸相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)信號(hào)，以提高數(shù)據(jù)速率，但通常不能夠達(dá)到完整的空間分集。第三類利用的是發(fā)射機(jī)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(fā)射機(jī)和接收機(jī)的前置濾波器和后置濾波器的，以實(shí)現(xiàn)容量增益。

　　空間分集

　　無(wú)線信道中信號(hào)功率的波動(dòng)非常快速。信號(hào)功率顯著下降時(shí)，信道處于衰落狀態(tài)。分集用于在無(wú)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(hào)獨(dú)立的衰落狀態(tài)，并與這些信號(hào)相結(jié)合，使得合成信號(hào)的幅度變化小于任一天線的信號(hào)。通常使用獨(dú)立衰落信道數(shù)來(lái)描述分集的特征，這一數(shù)目也稱為"分集階數(shù)"，并且如果同一發(fā)射天線針對(duì)所有接收天線的信道具有獨(dú)立的衰落特性，則分集與SIMO信道中接收天線的數(shù)量相等。發(fā)射分集適用于MISO信道并且已經(jīng)成為備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。提取分集需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)。在接收機(jī)上使用合適的組合方案，以獲得分集增益。如果所有發(fā)射天線到同一接收天線的信道具有獨(dú)立的衰落特性，則該信道的分集與發(fā)射天線的數(shù)量相等。

圖2：(a) Alamouti空時(shí)編碼發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)；(b) 空間復(fù)用發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)；(c) 波束賦形發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。

　　圖2給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)射機(jī)分集方案實(shí)例，也稱為 Alamouti空時(shí)編碼。在指定的符碼周期，兩個(gè)天線同時(shí)發(fā)出兩個(gè)信號(hào)。在符碼周期t1，分別從天線0和天線1發(fā)送信號(hào)s0和s1，在下一個(gè)符碼周期 t2內(nèi)，天線0發(fā)送信號(hào)-s1*，天線1發(fā)送信號(hào)s0*，其中()*是復(fù)共軛運(yùn)算。這一序列如圖2所示。編碼是在空時(shí)編碼中完成的，也可在空頻編碼中完成?？墒褂脙蓚€(gè)相鄰的載波(空頻編碼)來(lái)替代兩個(gè)相鄰的符碼周期。使用MIMO信道的分集需要將上述發(fā)射和接收分集相結(jié)合。如果每個(gè)發(fā)射接收天線對(duì)之間的信道獨(dú)立衰落，則分集順序與發(fā)射和接收天線的數(shù)量相等。

 　　空間復(fù)用

　　空間復(fù)用可以為相同帶寬的信號(hào)提供線性增長(zhǎng)的傳輸速率，而且不會(huì)造成額外的功率損耗。

　　圖2(a)給出了含有兩個(gè)發(fā)射天線的簡(jiǎn)單的空間復(fù)用系統(tǒng)，這一概念可擴(kuò)展到更普遍的MIMO系統(tǒng)中。發(fā)射的比特流被去復(fù)用到兩個(gè)具有一半速率的子比特流中，由每個(gè)發(fā)射天線同時(shí)進(jìn)行調(diào)制和發(fā)射。例如在圖2(a)中，在符碼周期t1內(nèi)，天線0發(fā)射符號(hào)s0，從天線1發(fā)射符號(hào)s1。在符碼周期t2內(nèi)，天線 0發(fā)射符號(hào)s2，天線1發(fā)射符號(hào)s3。因此，發(fā)射速率是SISO系統(tǒng)的兩倍。在最佳的信道條件下，接收機(jī)端接收到的信號(hào)的空間特性,可以被很好的分離。接收機(jī)根據(jù)信道信息可以對(duì)兩個(gè)同信道信號(hào)進(jìn)行區(qū)別和提取。進(jìn)行解調(diào)之后，子比特流能夠相互結(jié)合產(chǎn)生原始比特流。所以，空間復(fù)用所能提高的傳輸速率與發(fā)射接收天線對(duì)的數(shù)量成正比。空間復(fù)用還可用于多用戶格式，也就是空分多址或SDMA。假設(shè)兩個(gè)用戶發(fā)射獨(dú)立的信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)均到達(dá)一個(gè)配有兩個(gè)天線的基站。該基站可以分離這兩個(gè)信號(hào)，以支持兩個(gè)用戶同時(shí)使用信道。這使容量能夠根據(jù)基站的天線數(shù)量和用戶數(shù)量成比例的增加。

 　　波束賦形

　　在空間分集和空間復(fù)用中，通常認(rèn)為發(fā)射機(jī)不了解信道信息。當(dāng)發(fā)射機(jī)具備信道信息時(shí)，可改善系統(tǒng)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(fā)射機(jī)已知信道矩陣。部分信息可能指的是瞬時(shí)信道的某些參數(shù)(例如矩陣信道的條件數(shù))或統(tǒng)計(jì)特性(例如發(fā)射或接收的相關(guān)特性)。圖2(b)顯示了使用信道信息的預(yù)編碼框架。發(fā)射信號(hào)(S0，S1)與預(yù)編碼相乘，這可以解釋為波束賦形。經(jīng)過(guò)預(yù)編碼之后，兩個(gè)分離的數(shù)據(jù)流可從兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)送，作為空間復(fù)用，但是矩陣編碼器將根據(jù)信道信息發(fā)生變化。假設(shè)發(fā)射機(jī)已經(jīng)知道發(fā)射相關(guān)矩陣，則可以使用相關(guān)矩陣的特征矩陣建立預(yù)編碼矩陣，以優(yōu)化遍歷容量。將2×2預(yù)編碼矩陣表示為W，則符碼周期t1內(nèi)的發(fā)射符碼為：

　　同樣，可以使用預(yù)編碼矩陣表示發(fā)射符碼×2和×3。在這個(gè)預(yù)編碼方案中，傳輸速率與發(fā)射接收天線對(duì)的數(shù)量成正比。

　　MIMO性能的信道依賴性

　　對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信道是關(guān)鍵因素，它決定系統(tǒng)的性能。例如，通過(guò)損耗和衰落可導(dǎo)致信號(hào)幅度衰減，多徑可導(dǎo)致符碼間干擾。雖然MIMO開辟了一個(gè)新維度空間可以極大地提高性能，但是分集或容量增益是否能夠真正實(shí)現(xiàn)依賴于信道特性。在STBC應(yīng)用中，是否能夠達(dá)到分集增益取決于信道分集階數(shù)。只有當(dāng)每個(gè)發(fā)射接收天線對(duì)之間具有獨(dú)立衰落通道時(shí)，信道分集階數(shù)才等于發(fā)射和接收天線的數(shù)量。這意味著如果發(fā)射接收天線對(duì)之間的信道具有高相關(guān)特性，則可以獲得的分集增益將非常有限?？臻g復(fù)用應(yīng)用還要求信道獨(dú)立特性。只有在最佳信道條件下，不同的空間信號(hào)流才能夠被很好地分離，這就是說(shuō)發(fā)射接收天線對(duì)之間的信道具有低相關(guān)特性。

　　MIMO 性能測(cè)試中的挑戰(zhàn)

　　隨著MIMO系統(tǒng)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)單元的增加，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的復(fù)雜程度也在迅速增加，這也給 MIMO性能測(cè)試帶來(lái)了挑戰(zhàn)。如上所述，MIMO的性能取決于信道，為了研究不同信道條件下的接收機(jī)性能，必須使用MIMO信道。在早期設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期內(nèi)，直接在真實(shí)的無(wú)線信道環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試并不是一種有效方法。這非常耗時(shí)，由于信道敏感和多變，重復(fù)生成研究問(wèn)題是非常困難的。使用軟件生成信道系數(shù)是另一種選擇，但也并非理想方法。因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)的系數(shù)生成和卷積運(yùn)算過(guò)程是極為耗時(shí)和占用資源的，所以只使用軟件來(lái)仿真信道行為在實(shí)時(shí)測(cè)試中是不可行的。另外，信道模型變得越來(lái)越復(fù)雜，不同的通信標(biāo)準(zhǔn)要求使用不同的信道模型和測(cè)試環(huán)境。重復(fù)生成所有這些信道模型和測(cè)試環(huán)境將加重設(shè)計(jì)工程師的負(fù)擔(dān)，而且耗時(shí)的測(cè)試將減緩故障診斷過(guò)程和開發(fā)周期。因此，專業(yè)的MIMO信道仿真器是這些工程師加快工作進(jìn)程的關(guān)鍵工具。

　　MIMO信道仿真器使用功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以重復(fù)生成設(shè)定的、真實(shí)的信道環(huán)境，這使工程師能夠在早期部署和設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段隔離性能問(wèn)題，并為元器件或系統(tǒng)的全面故障診斷提供最快速的方法。目前的SISO信道仿真器無(wú)法有效地解決MIMO性能測(cè)試問(wèn)題。首先，每臺(tái)接收機(jī)需要對(duì)不同發(fā)射機(jī)的信號(hào)流進(jìn)行求和運(yùn)算；第二，多級(jí)并聯(lián)SISO信道仿真器無(wú)法仿真不同信道的相關(guān)特性，而這是MIMO信道的一個(gè)重要特點(diǎn)；第三，滿足所需的信道數(shù)量要求對(duì)于SISO信道仿真器來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

　　可仿真真實(shí)MIMO信道的專業(yè)儀器為應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜的測(cè)試條件提供了最佳解決方案。信道仿真器(例如 N5106A PXB MIMO接收機(jī)測(cè)試儀)使用功能強(qiáng)大的數(shù)字處理技術(shù)可以重復(fù)生成真實(shí)的MIMO條件，從而能夠在設(shè)計(jì)、部署和驗(yàn)證周期早期快速隔離性能問(wèn)題。信道仿真器還具有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，它可以生成真實(shí)的衰落環(huán)境，包括路徑和信道相關(guān)性，具有更低的實(shí)施成本和更快的校準(zhǔn)流程。

　　圖3.Agilent N5106A MIMO接收機(jī)測(cè)試儀可提供多達(dá)4個(gè)基帶發(fā)生器和8個(gè)衰落器，這有助于對(duì)高達(dá)4×2 MIMO的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和故障診斷。Agilent Signal Studio信號(hào)生成軟件在該測(cè)試儀上運(yùn)行，并為工程師提供最新的標(biāo)準(zhǔn)一致性信號(hào)生成功能。

 　　圖4顯示了測(cè)試 2×2 MIMO接收機(jī)的簡(jiǎn)化配置圖。該測(cè)量?jī)x器與兩個(gè)用于信號(hào)上變頻的射頻信號(hào)發(fā)生器相連，儀器內(nèi)部基帶發(fā)生器生成標(biāo)準(zhǔn)一致性波形，例如LTE信號(hào)。通過(guò)軟件的圖形化界面用戶可以清楚地看到基帶發(fā)生器與信道衰落器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。每臺(tái)衰落器能夠使用標(biāo)準(zhǔn)一致性衰落模型進(jìn)行獨(dú)立配置，如使用3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)36.101 Annex B，或者使用各種路徑和衰落條件定制可配置的模型。與獨(dú)立的衰落器不同，儀器的自動(dòng)功率校準(zhǔn)功能消除了進(jìn)行衰落所需的枯燥、耗時(shí)的系統(tǒng)設(shè)置。

圖4：使用Agilent N5106A PXB MIMO接收機(jī)測(cè)試儀測(cè)試2×2 MIMO接收機(jī)的簡(jiǎn)化方框圖。

　　本文小結(jié)

　　本文概述了先進(jìn)的3G/4G無(wú)線通信系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)，介紹了空間分集、空間復(fù)用和波束賦形的基本概念以及它們對(duì)MIMO性能的影響。在用于豐富的多徑環(huán)境時(shí)，MIMO技術(shù)具有提高信號(hào)的強(qiáng)健性和擴(kuò)充容量的潛力。開發(fā)和測(cè)試MIMO元器件和系統(tǒng)要求使用能夠輕松配置的先進(jìn)信道仿真工具，并為真實(shí)的無(wú)線信道和條件提供精確表征。本文還與讀者分享了如何使用市場(chǎng)上有售的儀器(如Agilent N5106A PXB MIMO接收機(jī)測(cè)試儀)來(lái)仿真這些復(fù)雜信道。