MIMO的应用

摘要

MIMO使用多个发射和接收天线来增加容量

在微波传输系统中MIMO使用了不同的技术原理

MIMO对高频、短单跳微波传输是有意义的

在LTE、WiMAX和微波传输网络中，采用多输入多输出（MIMO）技术以及合适的部署策略是可以增加容量的。但是，具有视距传输网络中的MIMO，比如LTE和WiMAX，与其在视距微波传输中的运行相比有所差异。为了充分利用MIMO的优势，服务提供商需要了解MIMO是如何工作的，以及为什么它在不同的网络中存在差异。

MIMO的优势

MIMO使用至少2个，有时多个，发射天线和接收天线来传输一个单信道。这种方法增加了数据速率和频谱效率。例如，在每一侧增加6个天线所得到的容量增长，与在一个单输入单输出（SISO）的信道增加100多倍功率所产生的效果是相同的。

MIMO技术使得容量增加和使用天线数量呈线性关系。相反，SISO、单输入多输出（SIMO）和多输入单输出（MISO）系统的容量增加，和天线数量呈现对数关系。相对对数增加而言，线性容量的增加是一个更有效的方法。

MIMO的发射机和接收机比SISO、SIMO和MISO的更复杂，但是它不需要更多的发射功率。

MIMO优势是如此清楚，它和许多技术标准已经相结合，包括：

∙国际电信联盟（ITU）的高速下行分组接入（HSDPA）标准是通用移动通信系统（UMTS）标准的一部分。

∙家用无线路由使用IEEE802.11n标准

∙电气和电子工程师协会在蜂窝电话中使用的移动WiMAX技术IEEE802.16标准。

∙ITULTE标准。

当MIMO遇到香农定理

当MIMO系统在上世纪90年代中后期由GerardFoschini等人提出后，这种具有突破性的带宽效率似乎违反香农定理。实际上MIMO中的多样性和信号处理的使用，将单一点对点信道变换成多个并行信道来处理了。

香农定理是建立在一个具有信道容量C和以速率R来传输信息的有噪信道上的。然后它又指出，如果R小于C，应该有这样一些代码，使得接收机错误译码概率达到任意小。这意味着，从理论上讲，它可能以一个低于速率C的任何速率而几乎没有差错地来传输信息。

这个容量通常表示成：

C=Wlog2(1 + S/N)

这里：

∙C是以每秒比特为单位的信道容量

∙W是以赫然为单位的系统带宽

∙S/N是信噪比（S/N）

对于一个50dB的SNR和20Mhz带宽的信道，它的容量用数学方法表示成：

C=20*log2(1+50)=20*5.6=112Mb/s

容量增加是相对于SNR的一个对数关系，它是一个慢增长。

这个例子使用一个20MHz的信道，这个带宽通常使用在LTE和LTE-A 中。但20Mhz带宽的LTE-Advanced容量是500Mb / s或更高----显然远远超出香农极限。

超越香农极限的一个途径是提高信噪比和基站发送功率。但即使信噪比为100，20MHz信道带宽的吞吐量也只有133Mb/ s，远小于LTE-A可能能够提供的500 Mb / s吞吐量。

然而MIMO能够做到这个。它的高容量接收信息已然成为一个共识。

LTE和WiMAX网络中的MIMO

下面的公式可用于计算MIMO的香农极限。一个MIMO系统所能达到的最大容量取决于如何建立一个信道，而不只是如SISO系统所示的信噪比。在数学方面，MIMO系统的性能依赖于信道矩阵H及其性能的条件。

可以认为H信道矩阵是一组方程。每个方程代表一个接收信号，这个接收信号代表了一组唯一的信道系数和与之相应的发射信号共同作用的

结果。

该系统的性能最佳是H矩阵满秩，每行和每列满足相互之间的完全独立。换句话说，如果矩阵是线性的，也就是矩阵是满秩的，那么方程是可解的。

这意味着系统的最优性能只有在每个通道是完全独立时才可能存在。在一个充满散射、阴影衰减、反射和其它影响的环境中，信道是完全相互独立的。

尽管这看起来像一个反直觉的解释，得到所传输信息的唯一途径是H 矩阵的可逆。仅当H矩阵所有的行和列都是不相关时，H矩阵是可逆的。而只有散射、阴影衰减、反射和其它影响存在时，行和列才是不相关的。

这是LTE和WiMAX网络的典型情况，特别是在人口稠密的城市地区使用时。

点对点微波网络中的MIMO

在一个点对点微波传输系统,中，一个矩阵可能包含2个发射天线和2个接收天线，如图1所示。这是一个2×2的MIMO系统。

图1 一个点对点的微波矩阵使用多个发射和接收天线假如H12表示从发射天线1到接收天线2的信号行程，那么矩阵变成：∙r1=h11t1 + h12 t2

∙r2=h21t1 + h22 t2

这里：

∙r1=天线1的接收信号

∙r2=天线2的接收信号

在一个视距系统中：

r1=t1+ t2

r2=t1+t2

这样H=

1 1

1 1

即使对数学了解不多，也是能够看出这个矩阵方程是无解的，是没有办法求解的。

这样似乎看出MIMO是不适合点对点微波系统的。实际上MIMO是能够用于点对点微波系统，理论和实际是不相符的。

微波系统中的视距MIMO

在点对点微波系统中，对MIMO要注意这样一个情况，由于散射、和增加容量而需要的反射以及阴影衰减，使得接收信号不相关。相反，它依赖于发射天线之间、接收天线之间的空间距离。

利用一个合适的天线间距可以消除干扰信号，从而增加端口之间的容量传输。为了消除干扰信号，2条路径之间的传播差异，必须允许2个接收的信号在接收机的解调器中是相互正交的。

在传统的MIMO系统中，路径传播之间的差异可以通过使用环境的物理目标来创建。而这种方法在微波链路是不可能的，因为它们是典型的视距连接而且使用了高方向性天线。

然而，由于微波传输使用了高载波频率，这使得有可能在接收端形成了一个短的和长的传输路径，这样可以使用天线间距，来设计一个具有需要的正交相位差的2×2MIMO信道。这通常被称为一个视距（LOS）MIMO系统。

在一个2×2的MIMO系统中，在接收端2个路径之间的相位差是90°，图2解释了这个原理。

图2 合适的天线间距消除干扰信号从而增加了容量当一个理想的90°相位差出现时，干扰信号能够被完全消除。这样就创建了两个独立的通道，有效地增加了现有信道的容量。