本文討論多路輸入多路輸出（MIMO）技術在先進3G(HSPA++、LTE和 IMT-advanced)移動應用中的實現挑戰(zhàn)與解決方案。借助增強的頻譜效率,，MIMO 能夠保證實現更高的數據速率，并通過將電子信息嵌入到空間處理單元來提高無線系統(tǒng)的性能,?？臻g處理包括在發(fā)射機上進行空間預編碼和在接收機上進行空間后編碼，從信息信號處理理論角度講,，它們彼此之間進行的是雙重處理,。MIMO 技術與 OFDM（正交頻分多路復用）相結合可以充分利用無線信道空間分集和多徑的特征，實現先進的 3G 寬帶無線通信和高頻譜利用率,。

在無線通信系統(tǒng)中,，在發(fā)射機和/或接收機上使用多個天線開辟了一個新的維度空間。如果能夠正確利用這一技術,，可以極大地提高性能,，它現在被廣泛地稱為 MIMO（多路輸入多路輸出）系統(tǒng)。在術語 MIMO 中,，“輸入”和“輸出”指的是無線信道,。發(fā)射機的多個天線意味著有多個信號輸入到無線信道中，接收機的多個天線是指有多個信號從無線信道輸出,。圖 1 是對 SISO,、SIMO、MISO 和 MIMO 系統(tǒng)的簡單演示,。通過本圖，您可以很容易理解對于發(fā)射機天線（T）和接收機天線（R）的 MIMO 系統(tǒng)來說,，如果每個發(fā)射接收天線對之間的信道獨立進行衰落,，則信道分集階數為 T2R。

不同的 MIMO 應用

在一個密集的多徑散射環(huán)境中,，MIMO 系統(tǒng)可充分利用通過空間分隔的天線獲得空間分集,。MIMO 系統(tǒng)能夠通過許多不同方法來實施，以獲得抵抗信號衰落的分集增益或者容量增益,。通常,，MIMO 技術具有三種類型。第一類旨在通過最大化空間分集提高功率效率,。此類技術包括延遲分集,、空時分組編碼（STBC）和空時網格碼（STTC）。第二類利用豐富的散射環(huán)境中的空間復用,，通過天線傳輸相互獨立的數據信號,，以提高數據速率，但通常不能夠達到完整的空間分集,。第三類利用的是發(fā)射機的信道信息,，又稱為波束賦形。它利用信道信息建立波束賦形矩陣,，作為發(fā)射機和接收機的前置濾波器和后置濾波器的,，以實現容量增益,。

空間分集

無線信道中信號功率的波動非常快速,。信號功率顯著下降時,，信道處于衰落狀態(tài)。分集用于在無線信道中抵抗衰落,。接收天線分集可在 SIMO 通道中使用,。接收天線接收同一信號獨立的衰落狀態(tài)，并與這些信號相結合,，使得合成信號的幅度變化小于任一天線的信號,。通常使用獨立衰落信道數來描述分集的特征，這一數目也稱為“分集階數”,，并且如果同一發(fā)射天線針對所有接收天線的信道具有獨立的衰落特性,，則分集與 SIMO 信道中接收天線的數量相等。發(fā)射分集適用于 MISO 信道并且已經成為備受關注的研究領域,。提取分集需要適當的設計發(fā)射信號,。在接收機上使用合適的組合方案，以獲得分集增益,。如果所有發(fā)射天線到同一接收天線的信道具有獨立的衰落特性,，則該信道的分集與發(fā)射天線的數量相等。

圖 2 給出了一個簡單的發(fā)射機分集方案實例,，也稱為 Alamouti 空時編碼,。在指定的符碼周期，兩個天線同時發(fā)出兩個信號,。在符碼周期 t1,，分別從天線 0 和天線 1發(fā)送信號s0和s1，在下一個符碼周期 t2 內,， 天線 0發(fā)送信號 -s1*,，天線 1發(fā)送信號 s0*，其中 ( )* 是復共軛運算,。這一序列如圖 2 所示,。編碼是在空時編碼中完成的，也可在空頻編碼中完成,?？墒褂脙蓚€相鄰的載波（空頻編碼）來替代兩個相鄰的符碼周期。使用 MIMO 信道的分集需要將上述發(fā)射和接收分集相結合,。如果每個發(fā)射接收天線對之間的信道獨立衰落,，則分集順序與發(fā)射和接收天線的數量相等。

空間復用

空間復用可以為相同帶寬的信號提供線性增長的傳輸速率，而且不會造成額外的功率損耗,。

圖 3 給出了含有兩個發(fā)射天線的簡單的空間復用系統(tǒng),，這一概念可擴展到更普遍的 MIMO 系統(tǒng)中。發(fā)射的比特流被去復用到兩個具有一半速率的子比特流中,，由每個發(fā)射天線同時進行調制和發(fā)射,。例如在圖 3 中，在符碼周期 t1 內,，天線 0發(fā)射 符號s0,，從天線 1 發(fā)射符號s1。在符碼周期 t2 內,， 天線 0 發(fā)射符號s2,，天線 1 發(fā)射符號s3。因此,，發(fā)射速率是 SISO 系統(tǒng)的兩倍,。在最佳的信道條件下，接收機端接收到的信號的空間特性,可以被很好的分離,。接收機根據信道信息可以對兩個同信道信號進行區(qū)別和提取,。進行解調之后，子比特流能夠相互結合產生原始比特流,。所以,，空間復用所能提高的傳輸速率與發(fā)射接收天線對的數量成正比?？臻g復用還可用于多用戶格式,，也就是空分多址或 SDMA。假設兩個用戶發(fā)射獨立的信號,，這兩個信號均到達一個配有兩個天線的基站。該基站可以分離這兩個信號,，以支持兩個用戶同時使用信道,。這使容量能夠根據基站的天線數量和用戶數量成比例的增加。

波束賦形

在空間分集和空間復用中,，通常認為發(fā)射機不了解信道信息,。當發(fā)射機具備信道信息時，可改善系統(tǒng)性能,。信道信息可以是完整的也可以是部分的,。完整的信道信息意味著發(fā)射機已知信道矩陣。部分信息可能指的是瞬時信道的某些參數（例如矩陣信道的條件數）或統(tǒng)計特性（例如發(fā)射或接收的相關特性）,。圖 4 顯示了使用信道信息的預編碼框架,。發(fā)射信號（S0，S1）與預編碼相乘,，這可以解釋為波束賦形,。經過預編碼之后,，兩個分離的數據流可從兩個發(fā)射天線同時發(fā)送，作為空間復用,，但是矩陣編碼器將根據信道信息發(fā)生變化,。假設發(fā)射機已經知道發(fā)射相關矩陣，則可以使用相關矩陣的特征矩陣建立預編碼矩陣,，以優(yōu)化遍歷容量,。將 2 X 2 預編碼矩陣表示為 W，則符碼周期 t1 內的發(fā)射符碼為：

同樣,，可以使用預編碼矩陣表示發(fā)射符碼 x2 和 x3,。在這個預編碼方案中，傳輸速率與發(fā)射接收天線對的數量成正比,。

MIMO 性能的信道依賴性

對于無線通信系統(tǒng)來說,，信道是關鍵因素，它決定系統(tǒng)的性能,。例如,，通過損耗和衰落可導致信號幅度衰減，多徑可導致符碼間干擾,。雖然 MIMO 開辟了一個新維度空間可以極大地提高性能,，但是分集或容量增益是否能夠真正實現依賴于信道特性。在 STBC 應用中,，是否能夠達到分集增益取決于信道分集階數,。只有當每個發(fā)射接收天線對之間具有獨立衰落通道時，信道分集階數才等于發(fā)射和接收天線的數量,。這意味著如果發(fā)射接收天線對之間的信道具有高相關特性,，則可以獲得的分集增益將非常有限?？臻g復用應用還要求信道獨立特性,。只有在最佳信道條件下，不同的空間信號流才能夠被很好地分離,，這就是說發(fā)射接收天線對之間的信道具有低相關特性,。

MIMO 性能測試中的挑戰(zhàn)

隨著 MIMO 系統(tǒng)發(fā)射機/接收機單元的增加，產品設計和開發(fā)的復雜程度也在迅速增加,，這也給 MIMO 性能測試帶來了挑戰(zhàn),。如上所述，MIMO 的性能取決于信道,，為了研究不同信道條件下的接收機性能,，必須使用 MIMO 信道。在早期設計和驗證周期內，直接在真實的無線信道環(huán)境中進行測試并不是一種有效方法,。這非常耗時,，由于信道敏感和多變，重復生成研究問題是非常困難的,。使用軟件生成信道系數是另一種選擇,，但也并非理想方法。因為發(fā)射信號的系數生成和卷積運算過程是極為耗時和占用資源的,，所以只使用軟件來仿真信道行為在實時測試中是不可行的,。另外，信道模型變得越來越復雜,，不同的通信標準要求使用不同的信道模型和測試環(huán)境,。重復生成所有這些信道模型和測試環(huán)境將加重設計工程師的負擔，而且耗時的測試將減緩故障診斷過程和開發(fā)周期,。因此,，專業(yè)的 MIMO 信道仿真器是這些工程師加快工作進程的關鍵工具。

MIMO 信道仿真器使用功能強大的數字信號處理技術可以重復生成設定的,、真實的信道環(huán)境,，這使工程師能夠在早期部署和設計驗證階段隔離性能問題，并為元器件或系統(tǒng)的全面故障診斷提供最快速的方法,。目前的 SISO 信道仿真器無法有效地解決 MIMO 性能測試問題,。首先，每臺接收機需要對不同發(fā)射機的信號流進行求和運算,；第二,，多級并聯(lián) SISO 信道仿真器無法仿真不同信道的相關特性，而這是 MIMO 信道的一個重要特點,；第三,，滿足所需的信道數量要求對于 SISO 信道仿真器來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。

可仿真真實 MIMO 信道的專業(yè)儀器為應對這些復雜的測試條件提供了最佳解決方案,。信道仿真器（例如 N5106A PXB MIMO 接收機測試儀）使用功能強大的數字處理技術可以重復生成真實的 MIMO 條件,，從而能夠在設計、部署和驗證周期早期快速隔離性能問題,。信道仿真器還具有一個優(yōu)勢，它可以生成真實的衰落環(huán)境,，包括路徑和信道相關性,，具有更低的實施成本和更快的校準流程。

圖 5. Agilent N5106A MIMO 接收機測試儀可提供多達 4 個基帶發(fā)生器和 8 個衰落器,，這有助于對高達 4x2 MIMO 的系統(tǒng)進行測試和故障診斷,。Agilent Signal Studio 信號生成軟件在該測試儀上運行，并為工程師提供最新的標準一致性信號生成功能。

圖 6 顯示了測試 2x2 MIMO 接收機的簡化配置圖,。該測量儀器與兩個用于信號上變頻的射頻信號發(fā)生器相連,，儀器內部基帶發(fā)生器生成標準一致性波形，例如 LTE 信號,。通過軟件的圖形化界面用戶可以清楚地看到基帶發(fā)生器與信道衰落器之間的對應關系,。每臺衰落器能夠使用標準一致性衰落模型進行獨立配置，如使用3GPP LTE 標準 36.101 Annex B,，或者使用各種路徑和衰落條件定制可配置的模型,。與獨立的衰落器不同，儀器的自動功率校準功能消除了進行衰落所需的枯燥,、耗時的系統(tǒng)設置,。

總結

本文概述了先進的3G無線通信系統(tǒng)中的 MIMO 技術，介紹了空間分集,、空間復用和波束賦形的基本概念以及它們對 MIMO 性能的影響,。在用于豐富的多徑環(huán)境時，MIMO 技術具有提高信號的強健性和擴充容量的潛力,。開發(fā)和測試 MIMO 元器件和系統(tǒng)要求使用能夠輕松配置的先進信道仿真工具,，并為真實的無線信道和條件提供精確表征。本文還與讀者分享了如何使用市場上有售的儀器（例如 Agilent N5106A PXB MIMO 接收機測試儀）來仿真這些復雜信道,。