MIMO技术的应用

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 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( High Speed Downlink Packet Access, 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( Space Time Transm it Diversity, STTD )、时间切换分集发射( Time Switched Transm it Diversity, 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( Site Selection Diversity Transmit,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IospanW ireless和Raze Technologies。Iospan Wireless的AirBurst系统是基于MIMO - OFDM(正交频分复用)的FDD(频分双工)系统。Raze Techno logies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[1]。

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。

1. 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2×2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Precoding预编码[2]。矩阵，包括4种形式：

（1) 空间复用(Spatial multiplexing)；

（2) 空时块码(Space Time Block Coding)；

（3) 波束成型(Beam Forming)；

（4) 发射分集(Transmit Diversity)。

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。

图2 闭环天线选择方案

2．MIMO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。

2. MIMO技术在移动WIMAX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（SpacetimeTransmit Diversity,空时发射分集）、SM（Spatial Multiplexing,空分复用）和自适应切换方式，同时定义了Matrix A、Matrix B和Matrix C 3种编码矩阵。华为公司WiMAX 802.16e系统目前已全面支持Matrix A，并将在2008年9月支持MIMO Matrix B和MIMO Matrix C。WiMAX802.16e