MIMO技术在3G演进中的应用进展

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随着无线通信技术的发展，人们对无线传输的有效性和可靠性提出了更高的要求。MIMO(多输入多输出)技术在无线通信链路两端均使用多个天线，可以充分利用无线传播中的多径传输，使频谱利用率和链路可靠性得到极大的提高。与MIMO技术紧密相关的是空时编码。

　　一、空时编码

　　1.分层空时编码

　　分层空时编码技术(LSTC)最初是由贝尔实验室的Foschini提出来的，其基本思想是把高速数据流分为若干低速数据流，独立地进行编码、调制，并提供复用增益。图1为分层空时编码原理框图。

图1 分层空时编码原理框图

　　分层空时编码按发射端分路的不同方式主要有三种方案：对角分层空时编码；垂直分层空时编码和水平分层空时编码。其主要差别是针对并行信道编码器的输出，三种方案分别按照对角线、垂直方向和水平方向进行编码。

　　分层空时编码的译码算法主要用于对抗多流干扰MSI(MultiStreamInterference)，具体实现分为最大似然译码算法、线性算法(如迫零算法、最小均方误差算法)以及非线性算法(如串行干扰消除等)。最大似然译码算法具有最优的译码性能，但是算法的复杂度与发送天线数以及调制星座的点数成指数关系，不能满足实时译码要求。研究表明，分层空时编码的优势是当接收天线数大于发送天线数时，系统容量与发射天线数成正比关系。

　　2.空时分组编码

　　空时分组编码(STBC)利用正交设计的原理分配各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域结合的正交分组编码方式。通过正交设计，STBC各信号在接收端可以独立译码，接收机的复杂度随着天线数目呈线性增长。

　　空时分组编码是由Alamouti最早提出的，采用两个发射天线和一个接收天线的系统可以得到采用一个发射天线两个接收天线系统同样的分集增益。图2为Alamouti空时分组编码原理框图。

图2 Alamouti空时分组编码原理框图

　　编码器在每一次编码操作中取两个调制符号x1、x2的一个分组，并根据如下给出的编码矩阵将它们映射到发射天线：




　　编码器的输出在两个连续发射周期t、t+T里从两根天线发射出去。在第一个发射周期中，信号x1和x2同时从天线1和天线2分别发射；在第二个发射周期中，信号从天线1发射，而从天线2发射。很显然，这种方法既在 空间域又在时间域进行编码。发射天线1和2上的发送序列分别为：



　　则两个发送序列的内积为0：



　　图3为空时分组编码接收机原理框图。

图3 空时分组编码接收机原理框图

　　图中h1、h2为信道系数，n1、n2为信道传输过程中引入的噪声。假设接收机能够完全估计信道的状态，采用最大似然译码准则，可以对x1、x2独立译码。因此，通过正交设计，STBC各信号在接收端可以独立译码，接收机的复杂度随着天线数目线性增长。

　　空时分组编码可以实现发射天线数确定的完全分集，并允许使用基于对接收信号进行线性处理的非常简单的最大似然译码算法。但空时分组编码只能获得分集增益而无编码增益。

　　3.空时网格码

　　空时网格码是AT&T公司研究院的Tarokh在空时延迟分集和格状码的基础上提出的，它利用了传输分集和信道编码技术，具有很高的分集增益和编码增益，能够有效地抵抗衰落、抑制干扰和噪声，在各种信道环境下都能获得较好的性能。

　　该编码方法在给定分集好处的情况下，可以通过增加格状图的方法来提高编码增益，但同时状态数的增加必然导致编、译码复杂度的提高。因此，实际应用中，要在分集增益和编码增益之间进行折衷。

　　4.空频分组编码

　　空频分组编码是在空域和频域两维方向上进行编码的一种联合编码技术，空频分组编码设计的码子也要求满足正交性，因此空频分组编码的码形式与空时分组编码类似。

　　二、MIMO-OFDM系统

　　MIMO系统在一定程度上可以利用传播中的多径分量，也就是说窄带MIMO系统可以有效对抗多径衰落，但是对于宽带系统中突出的频率选择性深衰落，以往的基于窄带技术的MIMO系统依然无能为力。而正交频分复用(OFDM)将高速的数据流通过串/并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响，抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。

　　把MIMO技术和OFDM技术结合起来，构成MIMO-OFDM系统，可以大大提高无线传输的有效性和可靠性。根据不同的空时编码形式，可分别构成STBC-OFDM、LSTC-OFDM、SFBC-OFDM系统等。图4为两个发射天线、两个接收天线时，STBC-OFDM的系统原理框图。

图4 STBC-OFDM系统原理框图

　　图5是在WCDMA多径信道类型4(多径数为4，速度为250km/h)中的STBC-OFDM系统性能仿真结果，仿真实验中OFDMIFFT/FFT规模为2048，未考虑信道编码增益。

图5 STBC-OFDM系统性能仿真结果

　　三、MIMO技术在3G中的应用研究

　　在3GPPLTE演进中，为支持更高的传输速率，在系统设计中会采用MIMO技术。究竟采用哪一种MIMO技术目前还没有确定，空间复用(SM)、预编码(Pre-coding)、发射分集(TD)等都在考虑范围之内。另外，MIMO技术的应用也会在上下行信道之间、控制信道与业务信道之间、广播多播业务与单播业务之间存在差异。目前，已经确定的下行传输天线个数为1、2、4等三种配置。

　　3GPP2在AIE演进中也考虑了各种可能的MIMO技术，如空间复用(SM)、预编码(Pre-coding)等。考虑到如果让UE反馈每个天线信道系数需要极大的信令开销，3GPP2决定在应用MIMO技术时，把所有可能的MIMO信道情况对应的系数预先设计成码书(Codebook)的格式。码书是预先定义的，由所有可能反映信道特征的系数矩阵构成。这样，UE在估计MIMO信道系数后，只需要反馈对应的矩阵及列的标号，这种方法减轻了信令开销，但相应降低了信道系数的估计精度。