多天线与MIMO关键技术的发展和应用.doc

多天线与MIMO技术发展和应用杨杉杉北京中网华通设计征询有限公司，云南普洱 665000摘要；本文简介了多天线技术概念和核心技术，并重点简介了MIMO技术特点，在既有通信网种应用。核心词：多天线；MIMO；LTE目录一、引言1二、概述21多天线技术定义22多天线技术分类22.2.1.天线分集技术22.2.2.波束赋型技术32.2.3.空分复用技术3三、MIMO技术31MIMO技术定义和原理33.1.1.MIMO技术定义33.1.2.MIMO技术原理32MIMO技术长处43.2.1.提高信道容量43.2.2.提高信道可靠性43MIMO技术缺陷5四、MIMO系统分类51按照收发天线数目进行分类54.1.1.SISO54.1.2.MISO54.1.3.SIMO64.1.4.MIMO62按照实现方式进行分类64.3.1.空间复用64.3.2.空间分集64.3.3.波束赋型74.3.4.开环传播74.3.5.闭环传播7五、MIMO技术应用71MIMO技术在3G中应用72MIMO技术在WIMAX中应用73MIMO技术在LTE中应用85.3.1.LTEMIMO模式合同85.3.2.LTE重要支持多天线类型8六、小结9一、 引言12月在3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合伙伙伴筹划）组织在多伦多会议上正式启动了UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术原则长期演进LTE（Long Term Evolution)，其中MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多输入多输出）作为其核心技术备受关注。随着中华人民共和国联通对MIMO技术广泛应用，以及LTE-FDD商用网大规模建设，规定咱们无线通信设计人员必要清晰MIMO技术概念和特点，以便于频谱资源和网络配备规划。本文将逐渐简介多天线技术概念、MIMO技术特点，以及MIMO技术应用和发展趋势。二、 概述1 多天线技术定义多天线技术顾名思义，就是采用各种天线，区别于老式无线通信系统，多天线技术是在无线链路发射端或者接受端采用各种天线或者天线矩阵，也可在发射端和接受端同事采用各种天线或者天线矩阵，以实现频率复用，提高数据传播速率。2 多天线技术分类依照不同实现方式分为天线分集，波束赋型和空分复用三种技术。122.12.21.2.2.1.2.2.2.2.1. 天线分集技术分集技术是用来补偿衰落信道损耗，它普通通过两个或更多天线来实现。同均衡器同样，它在不增长传播功率和带宽前提下，而改进无线通信信道传播质量。在移动通信中，基站和移动台接受机都可以采用分集技术。当前惯用分集方式重要有两种：宏分集和微分集。天线分集是指运用多天线间较低无线信道有关性，提供额外（发射或接受）分集来对抗无线信道衰落，是一种被用以恢复信号完整度技术。按天线类型可有空间分集，或极化分集。分集天线在GSM系统中有广泛应用，在基站间距较小、高楼林立市区，由于安装环境受限，多采用体积较小极化分集天线，而在开阔郊区和农村，则多采用增益较高空间分集天线。2.2.2. 波束赋型技术波束赋型（Beamforming）是一种基于天线阵列信号预解决技术，指运用发射端或接受段多根天线，以一定方式形成一种特定波束，使目的方向上天线增益最大以及抑制/减少干扰。因而，波束赋形技术在扩大覆盖范畴、改进边沿吞吐量以及干扰抑止等方面均有很大优势。波束赋形技术已经在TD-SCDMA系统中得到了成功应用，在TD-LTE R8中也采用了波束赋形技术。在TD-LTE R8PDSCH传播模式7中定义了基于单端口专用导频波束赋形传播方案。TD-LTE R9中则将波束赋形技术扩展到了双流传播方案中，通过新定义传播模式8引入了双流波束赋形技术，并定义了新双端口专用导频与相应控制、反馈机制。2.2.3. 空分复用技术让同一种频段在不同空间内得到重复运用，称之为空分复用。在移动通信中，能实现空间分割基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同顾客方向上形成不同波束。通过空分复用，各种发射源或者接受站可以同步使用同一种频率，提高系统频谱效率。在实际通信工程里，空分复用普通和其他复用技术结合使用1。三、 MIMO技术1 MIMO技术定义和原理233.11.2.3.3.1.3.1.1. MIMO技术定义MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)即多入多余技术，指在发射端和接受端分别使用各种发射天线和接受天线，使信号通过发射端与接受端各种天线传送和接受，从而改进通信质量。它能充分运用空间资源，通过各种天线实现多发多收，在不增长频谱资源和天线发射功率状况下，可以成倍提高系统信道容量，达得更高顾客速率。3.1.2. MIMO技术原理MIMO系统发射端通过空时映射将要发送数据信号映射到多根天线上发送出去，接受端将各根天线接受到信号进行空时译码从而恢复出发射端发送数据信号。其系统原理图如下：图1：MIMO系统原理图2 MIMO技术长处无线电发送信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一种空间流。使用单输入单输出（SISO）系统一次只能发送或接受一种空间流。MIMO容许各种天线同步发送和接受各种空间流，并可以区别发往或来自不同空间方位信号。MIMO 技术应用，使空间成为一种可以用于提高性能资源，并可以增长无线系统覆盖范畴。33.13.21.2.3.3.1.3.2.3.2.1. 提高信道容量MIMO接入点到MIMO客户端之间，可以同步发送和接受各种空间流，信道容量可以随着天线数量增大而线性增大，因而可以运用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增长带宽和天线发送功率状况下，频谱运用率可以成倍地提高。3.2.2. 提高信道可靠性运用MIMO信道提供空间复用增益及空间分集增益，可以运用多天线来抑制信道衰落。多天线系统应用，使得并行数据流可以同步传送，可以明显克服信道衰落，减少误码率。3 MIMO技术缺陷MIMO技术由于是多天线收发技术，与SISO相比具备很大优势，同步也有缺陷：1) 天线体积较大，重量较重，对安装空间规定较高；2) MIMO技术由于采用多进多余，因此其相应馈线也比较多，施工难度大；3) MIMO技术受限于终端成本和功耗，实现单个终端上行多路射频发射和功放难度较大。四、 MIMO系统分类233.13.23.33.41.2.3.4.4.1.1 按照收发天线数目进行分类依照收发天线数目不同，MIMO系统可以分为SISO（SingleInputSingleOutput单输入单输出）、MISO（MultipleInputSingleOutput多输入单输出）、SIMO（SingleInputMultipleOutput单输入多输出）、MIMO以及协作MIMO等各种方式。1.2.3.3.1.3.2.3.3.3.4.3.4.1.4.4.1.4.1.1. SISOSISO是采用单天线发送和单天线接受方式。由香农定理可知，理论上单天线信息容量受限于链路SNR，容量每增长1bit/s/Hz，发射功率就需要增长一倍，例如从1bit/s/Hz增长到11bit/s/Hz，发射功率就必要增长约1000倍。4.1.2. MISOMISO是采用多天线发送和单天线接受方式，如下图所示。下行方向上使用MISO时，表达基站采用多天线进行发射，基站所服务所有终端顾客都能获得发射分集增益，并且链路容量随着天线数目增长而以对数方式提高。依照天线发射信号不同，MISO涉及如下两种类型：发射分集多根天线都发送相似信号。发射天线互相接近时，接受侧接受到信号较强。但是由于天线位置较近，因此通路间有关性比较大，从而限制了分集增益。空时块编码多根天线不但发送相似信息，还发送具备有关性不同数据块，这样不但可以提高数据传播速率，也可以明显增长覆盖面和传播可靠性。4.1.3. SIMOSIMO是采用单天线发送和多天线接受方式，如下图所示。这种方式下，基站所服务所有终端顾客都可以获得接受分集增益，并且链路容量随着天线数目增长而以对数方式提高。由于不同途径上接受信号具备不同空间特性和特性，因而，接受机可以采用互换分集或者最大比合并方式进行接受，以便获取最大SNR。4.1.4. MIMOMIMO是采用多天线发送和多天线接受方式，如下图所示。MIMO可以当作是双天线分集扩展，并且有效使用了编码重用（Code Reuse）技术，即用相似信道编码和扰码对各种不同数据流进行调制。MIMO系统中收发端各有多根天线，发射机和接受机之间采用不同天线配备组合，可以大大提高数据传播速率，同步也可以提高系统容量。2 按照实现方式进行分类依照实现方式不同，MIMO可以分为空间复用、空间分集、波束赋形等类型；依照接受端与否反馈信息状态信息，MIMO可以分为闭环和开环两种类型。4.2.4.3.4.3.1. 空间复用空间复用指系统将高速数据流提成多路低速数据流，通过编码后调制到多根发射天线上进行发送。由于不同空间信道间具备独立衰落特性，因而接受端运用最小均方误差或者串行干扰删除技术，就可以区别出这些并行数据流。这种方式下，使用相似频率资源可以获取更高数据传播速率，意味着频谱效率和峰值速率都得到改进和提高。4.3.2. 空间分集空间分集指将同一信息进行正交编码后从多根天线上发射出去方式。接受端将信号区别出来并进行合并，从而获得分集增益。编码相称于在发射端增长了信号冗余度，因而可以减小由于信道衰落和噪声所导致符号错误率，使传播可靠性和覆盖面增长。分集技术重要用来对抗信道衰落。4.3.3. 波束赋型波束赋形是通过对信道精确预计，采用多根天线产生一种具备指向性波束，将信号能量集中在欲传播方向，从而提高信号质量，减少顾客见干扰。4.3.4. 开环传播接受端不反馈任何信息给发射端，因而发射端无法理解信道状态信息时，信息传播方式称为开环传播模式。开环传播模式下，接受端没有任何信息反馈给发射端，因而功率在发射端各天线平均分派。4.3.5. 闭环传播接受端给发射端进行信息反馈，发射端就可以理解所有或者某些信道状态信息，信息传播方式称为闭环传播模式。闭环传播模式下，发射端需要从接受端得到下行信道状态反馈，构成反馈信道，也将依次在各数据流间调节发射功率3。五、 MIMO技术应用4.2.1 MIMO技术在3G中应用随着顾客对数据传播速率和空中接口带宽需求不断增长，在3G系统中采用了HSPA+技术，作为3G到4G过渡。 HSPA+吸取了LTE中不少先进技术，MIMO就是其中重要一环。综合使用空间复用技术和空时编码技术，使得MIMO可以在不同使用场景下都发挥出良好效果出于成本及性能综合考虑，HSPA+中MIMO采用是22天线模式：下行是双天线发射，双天线接受；上行为了减少终端成本，缩小终端体积，采用了单天线发射。也就是说，MIMO效用重要只是用在下行，上行只是进行传播天线选取2。2 MIMO技术在WIMAX中应用WiMAX802.16e正越来越多地被运营商采用为首选固定和移动宽带接入方略，为终端顾客提供丰富高宽带多媒体业务。这些方略对运营商无线网络提出了极大挑战。为了建立和维持获利商业模式，需要对网络容量、顾客吞吐量、网络覆盖质量作较大改进。MIMO多天线技术应用，使802.16e可以应对这些挑战，同步MIMO技术与OFDMA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，从而大幅减少网络建设成本和维护成本，有力推动了移动WiMAX发展。3 MIMO技术在LTE中应用LTE合同从开始制定，MIMO技术从一开始就成为LTE中频谱效率提高核心技术。TD-LTE合同进展限度和FDD类似。LTE-FDD合同当前支持最大天线数为基站4发，终端2发。TDD合同可支持不不大于4天线天线配备。5.5.1.5.2.5.3.5.3.1. LTEMIMO模式合同1) 单天线端口，端口=0，重要合用于单天线传播场景；2) 发射分集，合用于社区边沿状况比较复杂，干扰较大状况，高速或者SNR低场景；3) 开环空间复用，适合于终端（UE）高速移动和反射环境复杂区域；4) 闭环空间复用，合用于信道条件比较好场景，用于提供比较高数据传播速率；5) 多顾客MIMO（MU-MIMO），重要用来提供社区容量，用于能找到两个UE正交场景；6) 闭环RANK=1预编码，重要合用于社区边沿厂家，低速移动和低SINR场景；7) 单天线端口，端口=5，单流Beamforming重要也是用于社区边沿，可以有效地对抗干扰，TDD专用；8) 单双流自适应BF，双流Beamforming可以用于社区边沿，也可以用于低速移动，高SNR场景，TDD专用；9) 单双四流自适应BF，LTE-A中新增长一种模式，可以支持最大到8层传播，重要为了提高数据传播速率，合用于低速移动，高SNR场景。5.3.2. LTE重要支持多天线类型1) 发射分集2TxSFBC，4TxSFBC+FSTD，PVS（预编码向量周期切换），天线选取：用扰码隐式显示上行发射天线选取。2) SU-MIMO支持不多于两个独立码字、支持Rank适配、支持酉预编码，恒模Householder码本、支持CDD。3) MU-MIMO多顾客合成预编码矩阵可觉得酉也可觉得非酉。4) 基于TDD技术特点，LTETDD相比FDD还增长了下行波束赋形技术4。六、 小结在频带资源有限而高速数据需求无限增长状况下，运用增长发射天线来增长空间自由度、改进系统性能、提高频带运用率是无线通信领域中一种研究方向。MIMO技术以其特有长处，在与OFDMA结合状况下，在提示数据传播速率，加大系统容量，提高频谱运用率研究中发挥巨大潜力。参照文献：1 梁书华.多天线技术概论J.数字通信,(04):26.2 LiewTH.HanzoL.Space-timecodesandconcatenatedchannelcodesforwirelesscommunicationsJ.Proc.IEEE,90(2):1872193 林云.MIMO技术原理及应用M.北京：人民邮电出版社,.4 赵绍纲.基于OFDM-MIMO-HSOPA技术.TELECOMMUNICATIONSTECHNOLOGY.(10):2223