MIMO技术的应用

1、 MIMO的应用和发展方向MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入MIMO技术相关的内容，B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中，正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中，如超宽带(UWB)系统、感知无线电系统(CR),都在考虑应用MIMO技术。随着使用天线数目的增加,MIMO技术实现的复杂度大幅度增高，从而限制了天线的使用数目，不能充分发挥MIMO

2、技术的优势。目前，如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度，成为业界面对的巨大挑战。目前，朗讯、松下、金桥和NTTDoCoMo等公司都在积极倡导MIMO天线系统技术的应用。在3GPP的高速下行链路分组接入方案(HighSpeedDownlinkPacketAccess,HSDPA中提出了使用MIMO天线系统,这种系统在发送和接收方都有多副天线，可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外，在3GPP(第三代协作伙伴项目)的WCDMA(宽带码分多址)协议中，涉及到了6种分集发射方法,即空时分集发射(SpaceTimeTransmitDiversity,STTD、)时间切

3、换分集发射(TimeSwitchedTransmitDiversity，TSTD、)两种闭环分集发射模式、软切换中的宏分集，以及站点选择分集发射(SiteSelectionDiversityTransmit，SSDT)。宏分集是指在CDMA(码分多址)系统的软切换过程中，可以通过2个甚至3个基站同时向一个移动台发射同样的信号，这是宏分集发射;同样，接收时通过相邻的基站进行分集接收(多个基站接收)，即进行宏分集接收。MIMO技术已经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中，采用MIMO的主要公司是IospanWireless和RazeTechnologies。IospanWireless的AirBur

4、st系统是基于MIMO-OFDM(正交频分复用)的FDD(频分双工)系统。RazeTechnologies的SkyFir系统也具有MIMO接口，并且可以用波束成形控制器来升级。在频带资源有限而高速数据需求无限增长的现实下，利用增加发射天线来增加空间自由度、改善系统性能、提高频带利用率是无线通信领域中的一个研究方向MIMO技术以其特有的优点，将成为未来移动通信中的关键技术之一，将对无线蜂窝系统的发展产生深远的影响。MIMO技术在3G的应用随着移动分组业务的流量不断增加，人们对移动通信空口带宽的需求也不断增加。为此LTE选择了MIMO等技术以实现高带宽的目标。由于LTE还需要一个较长的周期才能实现

5、商用，加之部署WCDMA网络已经耗费了运营商大量的投资，因此HSPA+作为一个过渡技术诞生了。HSPA+吸收了LTE中不少先进技术，MIMO就是其中重要的一环。综合使用空间复用技术和空时编码技术，使得MIMO能够在不同的使用场景下都发挥出良好的效果，3GPP组织也正是因为这一点，将MIMO技术纳入了HSPA+标准(R7版本)。出于成本及性能的综合考虑,HSPA+中的MIMO采用的是2X2的天线模式：下行是双天线发射，双天线接收；上行为了降低终端的成本，缩小终端的体积，采用了单天线发射。也就是说，MIMO的效用主要只是用在下行，上行只是进行传输天线选择。HSPA+中，MIMO规定了下行的Prec

6、oding预编码。矩阵，包括4种形式：空间复用(Spatialmultiplexing)；空时块码(SpaceTimeBlockCoding)；波束成型(BeamForming)；发射分集(TransmitDiversity)。在实际使用中，由基站根据无线环境的不同自动选择使用。在HSPA+上行方面，MIMO技术有两种天线选择方案：开环和闭环。1开环方案即TSTD（时分切换传输分集），上行数据轮流在天线间交替发送，从而避免单条信道的快衰落,如图1所示。图1开环天线选择方案2.闭环方案中，终端必须从不同的天线发送参考符号，由基站进行信道质量测量，然后选择信道质量好的天线进行数据发送，如图2所示。

7、天线1p|_P|眉0融冋Dag|F回夭銭2.回圖Time曰导频捋号叵耳数据苻号图2闭环天线选择方案2.MIM0技术能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。作为MIMO技术的发明者，阿尔卡特朗讯首先提出将MIMO技术加入3GPP标准，并积极推动MIMO技术在HSPA+的应用。我们相信MIMO技术必将在未来的移动网络中占据重要的位置。MIMO技术在移动町MAX中的应用近年来，全球基于传统线缆技术的宽带的需求正在快速增加，这为无线宽带接入技术提供了巨大的市场空间。WiMAX802.16e正越来越多地被运营商采用为首选的固定和移动宽带接入策略，为终端用户提供丰富的高

8、宽带多媒体业务。这些策略对运营商的无线网络提出了极大的挑战。为了建立和维持赢利的商业模式，需要对网络容量、用户吞吐量、网络覆盖质量作较大的改进。MIMO多天线技术的应用，使802.16e能够应对这些挑战，从而有力推动WiMAX网络的发展。MIM是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量MIMO技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务3。WiMAX802.16e定义了三种可选的MIMO方式，分别STTD（SpacetimeTransmitDiversit

9、y,空时发射分集）、SM（SpatialMultiplexing，空分复用）和自适应切换方式，同时定义了MatrixA、MatrixB和MatrixC3种编码矩阵。华为公司WiMAX802.16e系统目前已全面支持MatrixA,并将在2008年9月支持MIMOMatrixB和MIMOMatrixC。WiMAX802.16e系统中，MIMO技术与0FDMA技术结合使用，可以大幅提高网络覆盖能力，使WiMAX系统容量倍增，从而大幅降低网络建设成本和维护成本，有力推动了移动WiMAX发展。与OFDMA完美结合WiMAX802.16e系统中，MIMO,OFDMA（OrthogonalFrequenc

10、yDivisionMultipleAccess，正交频分复用接入）的完美结合，更能体现出MIMO的技术优势。MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍然无能为力，其他通信系统一般采用均衡技术来解决MIMO系统中的频率选择性衰落。WiMAX的OFDMA技术可以很好地克服频率选择性衰落。下一代移动通信需要高的频谱利用率技术，但OFDMA提高频谱利用率的能力毕竟有限。结合MIMO技术，可以在不增加系统带宽的情况下进一步提高频谱效率。MIMO+OFDMA技术既可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性和增强系统的稳定性。另外，OFDMA由于码率低和加入了时间保护间隔而

11、具有很强的抗多径干扰能力，多径时延小于保护间隔使系统不受码间干扰的影响，这样就可以使单频网络使用宽带OFDMA系统依靠MIMO技术消除阴影效应，真正实现网络的无缝覆盖。（2）大幅提高网络覆盖能力WiMAX802.16e由于采用较高的工作频段，传播损耗比其他移动通信系统高，如何扩展网络覆盖能力也是WiMAX面临的挑战之一。MIMO技术在WiMAX系统的应用，可以大幅度提高网络覆盖能力。MIMO在分集模式下，通过分集增益增加小区覆盖半径；在复用模式下，通过提升小区边缘速率获得的分集增益来提升小区覆盖半径；在自适应切换模式下，小区边缘工作在分集模式下，覆盖增益与仅分集模式相同。通过华为公司的系统仿真

12、结果表明，在分集或自适应切换模式下，2T2R（2Transmit2Receive,两路发射两路接收）MIMO相比SISO（SingleInputSingleOutput,单输入单输出）有210dB的覆盖增益，覆盖半径增加50%90%；仅复用模式下，在小区边缘可以间接获得35dB的覆盖增益。另外MIMO还可以有效提高小区边缘覆盖概率4。2007年8月，在日本东京，华为与当地运营商J:COM起对MIMO的实际使用效果进行了测试。测试结果表明，采用MIMOMatrixA技术可以有效提高WiMAX802.16e系统的覆盖半径，可以大幅减少网络建设所需要的基站数目。（3）使系统容量倍增WiMAX802.

13、16e系统可提供极高的数据吞吐量和移动性，让用户能够随时在线，即使处于移动状态也能获得真正的宽带体验。MIMO技术在复用模式下，可以成倍提高系统吞吐量和频谱效率，并可以成倍提高单用户峰值速率；在分集模式下，通过增加高阶调制方式的比例来提高系统吞吐量和频谱效率；在自适应切换模式下，小区中心工作在复用模式，小区边缘工作在分集模式，因此系统吞吐量和频谱效率增强效果介于两者之间。OFDMA和MIMO技术的应用，使WiMAX802.16e系统能够最大程度地提高频谱效率，提供高品质移动视频和电视业务所需的高速度和高带宽。华为公司的系统仿真结果表明，采用MIMO2X2MatrixB技术后，可以提高WiMAX

14、16e系统吞吐量约30%60%，同时可以成倍提高用户的峰值速率，保证WiMAX用户获得更好的业务体验。（4）大幅降低网络建网和维护成本在密集城区和CBD区域，高端用户多，对系统吞吐量和峰值速率要求高，容易出现容量受限的情况。采用MIMOMatrixB技术后,WiMAX系统下行容量提升55%，上行容量提升33%；在容量受限场景，基站数目将减少25%左右。相比其他多天线技术如AAS（AdaptiveAntennaSystemalsoAdvancedAntennaSystem,自适应天线系统，也称作先进天线系统），MIMO在密集城区的容量增益优势更为明显，可以有效降低高话务区域的建网成本或扩容成本5

15、。对于覆盖受限场景，采用MIMO技术可以增加50%以上的覆盖半径，使单站点覆盖面积增加近100%，在一定覆盖面积下可节省40%60%的基站数目。在郊区和农村区域引入MIM0，可实现最少基站的最大覆盖，大幅降低初始建网成本。另外，在安装和维护方面，AAS天线最少为4波束天线，需要较高的天线安装空间；AAS天线相比传统天线，所需馈线大大增加，增加工程量，同时铁塔走线架的宽度也得加宽；AAS采用的天线重量大，对安装承载能力要求提高；另外AAS天线体积较大，防风能力差，抗风阻性要求高，不适合在风力大或者是台风多发区域使用oMIMO相比AAS，需要的天线数目少，一根普通的土45度双极化的天线就可以支持2

16、X2MIMO，对天线安装空间和承重要求低，容易部署、维护，可有效节省天线安装成本和维护成本6。随着宽带数据用户和移动通信用户的迅速发展，以及从窄带语音通信向宽带高速数据通信发展的趋势，如何在一定的频谱资源上提高网络容量，如何在一定的站点数目下提升网络覆盖性能，成为将来通信网络建设中需要重点考虑的问题。WiMAX802.16e系统引入MIM0多天线技术，并与0FDMA进行完美结合，通过增强系统在空间上的分辨能力，提高频谱利用率并提升网络的容量和覆盖性能，从而降低网络建设成本和维护成本，使WiMAX802.16e逐渐成为最有竞争力的无线宽带接入技术。MMI0技术未来的研究方向过去的十几年中，MIM

17、0技术已经取得相当大的进展，但是在实际的系统中要达到MIM0理论上的容量增加仍然有许多技术难点。这些技术难点也是目前MIM0技术的研究热点，主要有以下4个方面。信道建模和信道容量研究MIM0技术时必须考虑信道模型和信道容量。实现MIM0系统实际增益的关键在于建立更准确的信道模型，在对MIM0信道容量进行研究时，应该考虑多径，考虑衰落之间的相关性对信道容量的影响。MIM0系统的信号设计和信号处理MIM0信道的识别、对于已知信道应如何设计最佳发送信号，设计出适合于大多数信道模型的通用信号、接收端信号处理如何对应信号设计，这些都是实际可用的MIM0系统必须考虑的问题。使用最优的发送信号方案，可以大大

18、简化对接收信号的处理。一旦发送方案确定，就可以确定各种接收端的结构，当前的研究热点是考虑信号处理结构在性能和处理复杂性两者之间折衷。与传播相关的研究方向如何解决MIM0系统的多径效应是一个很重要的问题，现在常用的方法一是在接收端做均衡处理，二是与OFDM技术结合。美国Agere系统公司日前开发成功了最高传输速度为162Mbit/s的无线LAN(局域网)技术，这种技术是在收发两端使用阵列天线的多输入多输出(MIM0)和正交频分复用(OFDM)。该系统使用3对收发天线，每对收发天线可以实现54Mbit/s的传输速率。这是目前MIM0+OFDM技术所表现的强大的应用潜力。IEEE802.11a、11

19、g都是以OFDM作为核心技术，而IEEE802.16系列则是以MIMO+OFDM技术为核心。世界各国和各大电信厂商目前都已经开展了新一代移动通信系统的研究，而且MIMO技术是具有极高频谱利用率的技术，在V-BLAST算法下，理想情况下可以达到2040bit/s/Hz，这是目前任何一种技术所达不到的。另外在各类无线通信系统中,IS1(符号间干扰)一直是影响通信质量的重要因素oOFDM技术能够有效对抗ISI,同时具有频谱利用率高、抗多径衰落性能好、成本偏低等优点，使得这两种技术特别是两者的结合有望成为过渡到4G的潜在技术。因此这两种技术已经成为目前4G研究的热点，是一个非常有前景的研究方向。MIMO在未来网络中的应用在未来的4G系统中，MIMO技术将发挥巨大的作用，但还有很多工作需要广大学者进行：研究开发适合蜂窝网络的MIMO链路；设计利用MIMO信道实现在降低干扰和提高速率之间最优的折衷算法；MIMO算法如何应用在由于用户移动造成的快速时变信道中;减少附加天线所带来的干扰;基MIMO的物理层和MAC(媒体接入控制)层主要功能的分析及两者之间的相互作用;多用户情况下所引入的多址干扰等8。参考文献LiewTH,