MIMO关键技术

大葱健康

当前，MIMO技术主要通过3种方式来提升无线传输速率及品质：

● 空间复用（Spatial Multiplexing）：系统将数据分割成多份，分别在发射端的多根天线上发射出去，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。

● 传输分集技术，以空时编码（Space Time Coding）为代表：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。空时编码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。

● 波束成型（Beam Forming）：系统通过多根天线产生一个具有指向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提升信号质量，并减少对其他用户的干扰。

（1）空间复用

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，如图3所示。

图3   空间复用的系统示意框图

使用空间复用技术时，接收端必须进行复杂的解码处理。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），分层空时处理算法（BLAST，Bell Labs Layered Space-Time）。

其中迫零算法，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个数的增加呈指数增加，因此，当发射天线的个数很大时，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Bell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。

（2）空时编码

空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接受端获得分集增益，但空时编码方案不能提高数据率。空时编码的系统框图参见图4。

图4  空时编码的系统示意框图

空时编码主要分为空时格码和空时块码。

空时格码在不牺牲系统带宽的条件下，能使系统同时获得分集增益和编码增益。但是当天线个数一定时，空时格码的解码复杂度随着分集程度和发射速率的增加呈指数增加。

为减小接收机的解码复杂度，Alamouti提出了空时块码（STBC）的概念，STBC使得接收端只需采用简单的线形处理进行解码，从而降低了接收机的复杂度。

（3）波束成型

波束成型技术又称为智能天线（Smart Antenna），通过对多根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（Constructive Interference），在其他方向形成相位抵消（Destructive Interference），从而实现信号的增益，参见图5。

图5  定向智能天线的信号仿真效果

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根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。