MIMO技術在3G演進中的應用進展

　　中訊郵電諮詢設計院李福昌

　　隨著無線通信技術的發展，人們對無線傳輸的有效性和可靠性提出了更高的要求。MIMO(多輸入多輸出)技術在無線通信鏈路兩端均使用多個天線，可以充分利用無線傳播中的多徑傳輸，使頻譜利用率和鏈路可靠性得到極大的提高。與MIMO技術緊密相關的是空時編碼。

　　1.分層空時編碼

　　分層空時編碼技術(LSTC)最初是由貝爾實驗室的Foschini提出來的，其基本思想是把高速數據流分為若乾低速數據流，獨立地進行編碼、調制，並提供復用增益。圖1為分層空時編碼原理框圖。

　　分層空時編碼按發射端分路的不同方式主要有三種方案：對角分層空時編碼；垂直分層空時編碼和水平分層空時編碼。其主要差別是針對並行信道編碼器的輸出，三種方案分別按照對角線、垂直方向和水平方向進行編碼。

　　分層空時編碼的譯碼算法主要用於對抗多流乾擾MSI(MultiStreamInterference)，具體實現分為最大似然譯碼算法、線性算法(如迫零算法、最小均方誤差算法)以及非線性算法(如串行乾擾消除等)。最大似然譯碼算法具有最優的譯碼性能，但是算法的復雜度與發送天線數以及調制星座的點數成指數關系，不能滿足實時譯碼要求。研究表明，分層空時編碼的優勢是當接收天線數大於發送天線數時，系統容量與發射天線數成正比關系。

　　2.空時分組編碼

　　空時分組編碼(STBC)利用正交設計的原理分配各發射天線上的發射信號格式，實際上是一種空間域和時間域結合的正交分組編碼方式。通過正交設計，STBC各信號在接收端可以獨立譯碼，接收機的復雜度隨著天線數目呈線性增長。

　　空時分組編碼是由Alamouti最早提出的，采用兩個發射天線和一個接收天線的系統可以得到采用一個發射天線兩個接收天線系統同樣的分集增益。圖2為Alamouti空時分組編碼原理框圖。

　　編碼器在每一次編碼操作中取兩個調制符號x1、x2的一個分組，並根據如下給出的編碼矩陣將它們映射到發射天線：

　　編碼器的輸出在兩個連續發射周期t、t+T裡從兩根天線發射出去。在第一個發射周期中，信號x1和x2同時從天線1和天線2分別發射；在第二個發射周期中，信號從天線1發射，而從天線2發射。很顯然，這種方法既在空間域又在時間域進行編碼。發射天線1和2上的發送序列分別為：

　　則兩個發送序列的內積為0：

　　圖3為空時分組編碼接收機原理框圖。

　　圖中h1、h2為信道系數，n1、n2為信道傳輸過程中引入的噪聲。假設接收機能夠完全估計信道的狀態，采用最大似然譯碼准則，可以對x1、x2獨立譯碼。因此，通過正交設計，STBC各信號在接收端可以獨立譯碼，接收機的復雜度隨著天線數目線性增長。

　　空時分組編碼可以實現發射天線數確定的完全分集，並允許使用基於對接收信號進行線性處理的非常簡單的最大似然譯碼算法。但空時分組編碼只能獲得分集增益而無編碼增益。

　　3.空時網格碼

　　空時網格碼是AT&T公司研究院的Tarokh在空時延遲分集和格狀碼的基礎上提出的，它利用了傳輸分集和信道編碼技術，具有很高的分集增益和編碼增益，能夠有效地抵抗衰落、抑制乾擾和噪聲，在各種信道環境下都能獲得較好的性能。

　　該編碼方法在給定分集好處的情況下，可以通過增加格狀圖的方法來提高編碼增益，但同時狀態數的增加必然導致編、譯碼復雜度的提高。因此，實際應用中，要在分集增益和編碼增益之間進行折衷。

　　4.空頻分組編碼

　　空頻分組編碼是在空域和頻域兩維方向上進行編碼的一種聯合編碼技術，空頻分組編碼設計的碼子也要求滿足正交性，因此空頻分組編碼的碼形式與空時分組編碼類似。

　　MIMO系統在一定程度上可以利用傳播中的多徑分量，也就是說窄帶MIMO系統可以有效對抗多徑衰落，但是對於寬帶系統中突出的頻率選擇性深衰落，以往的基於窄帶技術的MIMO系統依然無能為力。而正交頻分復用(OFDM)將高速的數據流通過串/並變換，分配到傳輸速率相對較低的若乾個子信道中進行傳輸。由於每個子信道中的符號周期會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時延擴展所產生的時間彌散性對系統造成的影響，抗多徑乾擾與頻率選擇性衰落能力強。

　　把MIMO技術和OFDM技術結合起來，構成MIMO-OFDM系統，可以大大提高無線傳輸的有效性和可靠性。根據不同的空時編碼形式，可分別構成STBC-OFDM、LSTC-OFDM、SFBC-OFDM系統等。圖4為兩個發射天線、兩個接收天線時，STBC-OFDM的系統原理框圖。

　　圖5是在WCDMA多徑信道類型4(多徑數為4，速度為250km/h)中的STBC-OFDM系統性能仿真結果，仿真實驗中OFDMIFFT/FFT規模為2048，未考慮信道編碼增益。

　　三、MIMO技術在3G中的應用研究

　　在3GPPLTE演進中，為支持更高的傳輸速率，在系統設計中會采用MIMO技術。究竟采用哪一種MIMO技術目前還沒有確定，空間復用(SM)、預編碼(Pre-coding)、發射分集(TD)等都在考慮范圍之內。另外，MIMO技術的應用也會在上下行信道之間、控制信道與業務信道之間、廣播多播業務與單播業務之間存在差異。目前，已經確定的下行傳輸天線個數為1、2、4等三種配置。

　　3GPP2在AIE演進中也考慮了各種可能的MIMO技術，如空間復用(SM)、預編碼(Pre-coding)等。考慮到如果讓UE反饋每個天線信道系數需要極大的信令開銷，3GPP2決定在應用MIMO技術時，把所有可能的MIMO信道情況對應的系數預先設計成碼書(Codebook)的格式。碼書是預先定義的，由所有可能反映信道特征的系數矩陣構成。這樣，UE在估計MIMO信道系數後，只需要反饋對應的矩陣及列的標號，這種方法減輕了信令開銷，但相應降低了信道系數的估計精度。