MIMO天线3种技术及应用场景分析

0 前言

    多入多出（MIMO）系统指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统。研究证明，MIMO技术非常适用于城市内复杂无线信号传播环境下的无线宽带通信系统，在室内传播环境下的频谱效率可以达到20～40 bit/s/Hz；而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1～5 bit/s/Hz，在点到点的固定微波系统中也只有10～12 bit/s/Hz。通常，射频信号多径会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，被认为是新一代无线通信技术的革命。

1 MIMO系统的3种主要技术

    当前，MIMO技术主要利用发射分集的空时编码、空间复用和波束成型等3种多天线技术来提升无线传输速率及品质。

1.1 发射分集的空时编码

    基于发射分集技术的空时编码主要有2种，即空时分组码（STBC）和空时格码（STTC）。虽然空时编码方案不能直接提高数据率，但是通过这些并行空间信道独立、不相关地传输信息，从而使信号在接收端获得分集增益，为数据实现高阶调制创造条件。

1.1.1 空时分组码（STBC）

    STBC在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，它通过在发射端增加信号的冗余度，使信号在接收端获得分集增益，空时分组码是将同一信息经过正交编码后从多根天线发射出去。MIMO系统的原理如图1所示，传输信息流s（k）经过空时编码形成N个信息子流 ci（k），i=1，．．．，N。这N个信息子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是这N个子流同时发射信号，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立不相关，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。

    STBC是1998年，Alamouti提出的一种非常简单的发射分集技术，由于其简单的结构和良好的性能，很快进入了3GPP标准。STBC实质上是将同一信息经过正交编码后从2个天线上发射出去，2路信号由于具有正交性，在接收端就能将2路独立的信号区别出来，只需要做简单的线性合并就可以获得分集增益。

    但是，STBC的正交码组的构建还存在一定的问题。对于实数信号星座（PAM星座），它才可以构造编码速率为1的空时编码算法。但是，对于一个普通的复数信号星座，例如MQAM（如16QAM）或MPSK（如8PSK），当发射天线阵子数目大于2时，是否存在编码速率为1的码组还有待更深入的研究。目前对于发射天线阵子数目等于3、4以及大于4的系统，如果采用复数信号星座，那么最大的空时编码速率只能达到3/4和1/2。可见，对于采用高阶调制的高速率多天线的无线通信系统，如果直接采用空时分组编码算法，不可能充分地利用系统的有效性。因此，寻找更好的空时分组码目前已成为一个研究方向；另外，如何在频率选择性信道、时间选择性信道中充分利用空时分组码的优势也是一个研究课题。总之，当前STBC还是基于发射天线阵子数目等于2的发射分集技术。

1.1.2 空时格码（STTC）

    STTC是从空时延迟分集发展来的，而空时延迟分集可以看作是空时格码的一个特例。空时格码具有卷积码的特征，它将编码、调制、发射分集结合在一起，可以同时获得分集增益和编码增益，并且使得系统的性能有很大的提升。空时格码利用某种网格图，将同一信息通过多个天线发射出去，在接收端采用基于欧式距离的Viterbi译码器译码。因此译码复杂度较高，而且译码复杂度将随着传输速率的增加呈指数增加。

    早期的分集模型采用延时发送分集，这种分集的框图如图2所示。编码后的数据首先被重复一次，然后通过一个串/并转换器，分成2个完全相同的数据流。其中一数据流经过调制后直接从一个天线发送出去；另一数据流经过一个符号的延时后，再经调制从另一个天线发送出去。由于数据在2个天线上同时发送，不同的只是一路数据被延时了一个符号，所以尽管采用了延时编码，却不会存在频带效率的损失。在接收端，通过Viterbi译码可以进行解调。这种延时的分集就是空时码的雏形。可以证明当前所讲的STTC可以由延时发送分集实现。

    延时分集技术的产生使人们很自然地想到，能否存在一种更好的编码方式，不需要重复编码，就能在保持同样的数据速率、不牺牲带宽的情况下获得更好的性能，这样就产生了一种新的编码方式，这就是集空分、时分、调制于一体的空时编码。

    在空时编码中，STTC能够在不增加传送宽带和不改变信息速率的情况下，获得最大的编码增益和分集增益。

1.2 空间复用

    系统将数据分割成多份，分别在发射端的多个天线上发射出去，接收端接收到多个数据的混合信号后，利用不同空间信道间独立的衰落特性，区分出这些并行的数据流。从而达到在相同的频率资源内获取更高数据速率的目的。空间复用与发射分集技术不同，它在不同天线上发射不同信息。

    空间复用技术是在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行解码，此时的空口信道容量随着天线数量的增加而线性增大，从而能够显著提高系统的传输速率（见图3）。

    使用空间复用技术时，接收端必须进行复杂的解码处理。业界主要的解码算法有迫零算法（ZF）、MMSE算法、最大似然解码算法（MLD）和贝尔实验室分层空时处理算法（BLAST）。

    迫零算法，MMSE算法是线性算法，比较容易实现，但对信道的信噪比要求较高，性能不佳；MLD算法具有很好的译码性能，但它的解码复杂度随着发射天线数量的增加呈指数增加，因此，当发射天线的数量很大时，这种算法是不实用的；综合前述算法优点的BLAST算法是性能和复杂度最优的。

    BLAST算法是贝尔实验室提出的一种有效的空时处理算法，目前已广泛应用于MIMO系统中。BLAST算法分为D-BLAST算法和V-BLAST算法。

    D-BLAST算法是由贝尔实验室的G.J.Foschini于1996年提出的。对于D-BLAST算法，原始数据被分为若干子数据流，每个子流独立进行编码，而且被循环分配到不同的发射天线。D-BLAST的好处是每个子流的数据都可以通过不同的空间路径到达接收端，从而提高了链路的可靠性，但其复杂度太大，难以实际使用。

    1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改进的V-BLAST算法，该算法不再对所有接收到的信号同时解码，而是先对最强信号进行解码，然后在接收信号中减去最强信号，再对剩余信号中最强信号进行解码，再次减去，如此循环，直到所有信号都被解出。

    2002年10月，世界上第一个BLAST芯片在贝尔实验室问世，这标志着MIMO技术走向商用的开始。

1.3 波束成型技术

    波束成型技术又称为智能天线，通过对多个天线输出信号的相关性进行相位加权，使信号在某个方向形成同相叠加，在其他方向形成相位抵消，从而实现信号的增益。

    当系统发射端能够获取信道状态信息时（如TDD系统），系统会根据信道状态调整每个天线发射信号的相位（数据相同），以保证在目标方向达到最大的增益；当系统发射端不知道信道状态时，可以采用随机波束成形方法实现多用户分集。

2 3种技术的优缺点及应用场景

    空间复用能最大化MIMO系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益，在信噪比较小时使用，可能无法使用高阶调制方式（如16QAM等）。

    无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射，使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立，从而使得空间复用的效果更加明显。

    无线信号在市郊、农村地区，多径分量少，各空间信道之间的相关性较大，因此空间复用的效果要差许多。

    对发射信号进行空时编码可以获得额外的分集增益和编码增益，从而可以在信噪比相对较小的无线环境下使用高阶调制方式，但无法获取空间并行信道带来的速率红利。空时编码技术在无线相关性较大的场合也能很好地发挥效能。

    因此，在MIMO的实际使用中，空间复用技术往往和空时编码结合使用。当信道处于理想状态或信道间相关性小时，发射端采用空间复用的发射方案，例如密集城区、室内覆盖等场景；当信道间相关性大时，采用空时编码的发射方案，例如市郊、农村地区。这也是3GPP在FDD系统中推荐的方式。

    波束成型技术在能够获取信道状态信息时，可以实现较好的信号增益及干扰抑制，因此比较适合TDD系统。

    依据文献［4］，波束成型技术不适合密集城区、室内覆盖等环境，由于反射的原因，一方面接收端会收到太多路径的信号，导致相位叠加的效果不佳；另一方面，大量的多径信号会导致DOA信息估算困难。

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3 二重接收分集技术的数据速率提升作用

3G（WCDMA）室内空间二重分集接收的实测数据速率，也可说明多天线作用。室内分布空间二重分集接收如图4所示。

从表1可看出室内覆盖，二重分集接收速率提升2倍以上。

    相关的规划设计人员应该思考在大楼内建3G基站，该花的钱，如基站主设备、物业、管道、基房、配套电源及空调等等加起来恐怕不会少于10万元，但仅仅缺少一路主馈线（200 m 0.6万元）不能用于分集（注意，原2天线1~2之间8 m没有分集），现改为分集，使得系统数据容量翻倍。

4 不强不弱的均匀信号覆盖对数据速率的影响

    在3G/4G技术中，MIMO技术理论上为数据实现高阶调制，但是在实际覆盖区内信号太强或太弱都不可能实现数据高阶调制，只有不强不弱的均匀信号才能采用数据高阶调制，从而得到数据速率的提升。

4.1 泰尔实验室实测数据［5］

泰尔实验室实测WLAN（OFDM）数据速率与场强关系见表2。

4.2 A8 Super Wi-Fi设备性能

京信公司无线传输与接入事业部提供的A8 Super Wi-Fi设备性能见表3。

    实际工程为了90%无线覆盖区可接入系统，应有8dB阴影衰落储备，因此其覆盖电平对应数据速率应如表3所示。

4.3 结论
    从表2和表3可看出当接收机输入电平为-82dBm时，数据速率仅为6 Mbit/s，当接收机输入电平为-65dBm时，数据速率达到54 Mbit/s，数据速率提升9倍，说明未来LTE基站边界电平应取-75dBm，而不是2G时代的-85dBm。

5 未来MIMO天线建设模式

    将可能有2种天线建设模式：即2G/3G时代的宏基站天线建设模式和分布式天线建设模式。

5.1 宏基站天线建设模式

    宏基站天线建设模式如图5所示，将MIMO天线放在3扇区中心的30 m高塔上。图6示出的是宏基站覆盖信号电平分布示意图。

5.2 分布式天线建设模式

    图7示出的是文献［3］给出的建设模式。图7中1+6个近远端覆盖范围等于1个宏基站覆盖范围。覆盖区内采取小功率、多天线的模式进行覆盖。天线挂高不宜过高（8m左右）；室外天线口功率为15~30dBm；市区天线覆盖半径在150 m以内。

无线区域中心地理位置位于片区中心，射频拉远远端机以无线区域中心为圆心向各个方向拉远覆盖。

    比较图6和图8可以发现：采用分布式天线建设模式可以得到不强不弱的信号覆盖，依据文献［3］和［5］，数据速率将提升3倍以上，因此，MIMO应采用分布式天线建设模式。采用当前3G的宏基站天线建设模式时，最大问题是覆盖区内信号电平分布极不均匀，信号功率按距离四次方衰减，覆盖区内有一半区域（信号电平为-75~-85dBm）不能提供高速率数据，此时需大量的中继拉远设备（无线或有线光纤拉远设备）来覆盖信号阴影区，才能保证95%区域信号电平达到-75dBm以上，否则会回到2G时代只能提供低速率数据。

6 当前密集城区使用智能天线问题讨论

    上文提到MIMO技术有波束成型和分集，它们最大区别是前者的直列阵子相关性很强，直列阵子之间距离在0.5个波长之内。后者直列阵子相关性很差，阵子之间距离在10个波长之上称为空间分集或用交叉极化天线来达到分集效果。那么当前TD-SCDMA在密集城区使用标准的垂直极化智能天线效果如何，其实早就发现问题，实际还不如将垂直极化天线阵（8列垂直极化天线阵）换成交叉极化天线阵（4×2交叉极化天线阵）。此时智能天线作用被弱化，分集作用加强，这就是TD-SCDMA有8通道分集，其中4通道+45°与另外的4通道-45°实现交叉极化二重分集。

建议对于密集城区，每个扇区采用四重分集（4×4 MIMO天线）。

    可将当前的2 W 8通道，减为10 W 4通道，用交叉极化分集和空间分集联合使用，实现4通道分集，获得增益6dB。这样取消3扇区基站共24（3×8）个塔放被，将27（3×9）根射频馈线减为12（3×4）根，81（3×3×9）个防水接头减为12（3×4）个。对于市郊、农村地区，多径分量少，各空间信道之间的相关性较大，因此可用垂直极化6（或4）列智能天线，不建议使用交叉极化智能天线。