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3 無線通信系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)
目前，MIMO已經(jīng)成為未來移動通信技術(shù)的必選項目，都會采用相應(yīng)的分集和復(fù)用技術(shù)。以下簡單介紹不同標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)MIMO的不同表現(xiàn)形式。
3.1 3GPP UMTS
作為主流的移動通信標(biāo)準(zhǔn)，3GPP標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有了長足的發(fā)展。從WCDMA開始，已經(jīng)引入了很多提高傳輸速率的方法，包括HSDPA和HSUPA。最新版本包括HSPA+和LTE。
3.1.1 HSPA+(3GPP R7/R8)
R99（WCDMA）已經(jīng)引入了發(fā)射分集的概念，為了比R6版本的HSDPA可以得到更高的傳輸速率，R7版本的HSPA+采用了MIMO的技術(shù)。在下行鏈路中，可以采用MIMO或64QAM的調(diào)制方式，對應(yīng)的峰值速率可以達(dá)到28Mbit/s，但在R7版本MIMO和64QAM不能同時使用。而在R8的標(biāo)準(zhǔn)中，MIMO和64QAM可以同時使用，峰值速率最高可達(dá)42Mbit/s，不支持上行MIMO。
對于高速下行共享信道，MIMO使用兩個發(fā)射天線陣列，實現(xiàn)方式如圖11所示。
圖11 PA+MIMO示意圖
使用兩個發(fā)射天線陣列，兩個獨立的數(shù)據(jù)流同時在無線信道內(nèi)傳輸，可以采用和WCDMA一樣的信道化碼。在擴頻和加擾后，為了更好地在無線信道中傳輸，對其進行相應(yīng)的加權(quán)預(yù)編碼。此時需要得到4個ω1~ω4的加權(quán)因子。第一個數(shù)據(jù)流用加權(quán)因子ω1和ω2相乘，第二個數(shù)據(jù)流用加權(quán)因子ω3和ω4相乘，加權(quán)因子由公式（5）決定。
此時，ω1是固定的，ω2根據(jù)基站進行選擇。為了保證正交，加權(quán)因子ω3和ω4根據(jù)ω1和ω2得到�；靖鶕�(jù)上行終端選擇最優(yōu)的加權(quán)因子。
除了在HS-DSCH中使用MIMO，加權(quán)的相關(guān)信息必須通過HS-SCCH控制信道傳送給終端UE。盡管在上行中不使用MIMO，但是和MIMO相關(guān)的信息仍然必須在上行鏈路中傳輸。終端UE在HS-DPCCH信道中發(fā)送相應(yīng)的預(yù)編碼控制指示和信道質(zhì)量指示，這樣可以讓基站根據(jù)信道情況來調(diào)整調(diào)制、編碼方式和預(yù)編碼的加權(quán)因子。關(guān)于HSPA+的更多細(xì)節(jié)，請參閱參考文獻。
3.1.2 LTE(3GPP R8)
3GPP R8版本中定義的LTE，采用降低延時和分組交換技術(shù)可以達(dá)到更高的傳輸速率。LTE的多址方式下行采用OFDM，上行采用SC-OFDM，同時MIMO技術(shù)也是LTE的重要組成部分。LTE規(guī)定的調(diào)制方式包括QPSK，16QAM和64QAM。下行的峰值速率最高可達(dá)300Mbit/s(4×4MIMO)和150Mbit/s(2×2MIMO)，上行最高可達(dá)75Mbit/s。
LTE的下行鏈路如圖12所示。在LTE的下行傳輸中，LTE包括：單天線傳輸，沒有MIMO；發(fā)射分集；開環(huán)空分復(fù)用，無需UE反饋信號；閉環(huán)空分復(fù)用，需要UE反饋；多用戶MIMO（在指定的相同RB上有多個UE）；閉環(huán)預(yù)編碼；波束形成等幾種傳輸模式。
圖12 LTE下行鏈路示意圖
在LTE系統(tǒng)中，1個或2個碼字可以映射到多個空間復(fù)用的傳輸層（圖12中的Layer Mapper模塊）。在空間復(fù)用之前，首先經(jīng)過一個預(yù)編碼的過程（圖12中的Precoding模塊），也就是與根據(jù)碼本定義的預(yù)編碼矩陣W相乘，預(yù)編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送到各個天線。在收發(fā)天線兩端都要經(jīng)過相同的預(yù)編碼過程。根據(jù)不同的天線數(shù)目以及空間復(fù)用和發(fā)射分集的方式，規(guī)范定義了不同的碼本。圖13為2天線情況下空分復(fù)用的預(yù)編碼矩陣形式。
圖13 2天線情況下空分復(fù)用的預(yù)編碼矩陣形式
在LTE的上行鏈路中，為了降低終端UE的復(fù)雜程度，采用MU-MIMO技術(shù)。在MU-MIMO技術(shù)中，多個UE每個使用一個發(fā)射天線，在相同的無線信道中進行傳輸。
3.2 WiMAXTM(802.16e-2005)
WiMAX技術(shù)可以在20MHz的信道帶寬內(nèi)達(dá)到74Mbit/s的峰值速率。調(diào)制方式包括QPSK，16QAM和64QAM。
WiMAX的下行鏈路如圖14所示。WiMAX 802.16e標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)將MIMO定義為必選項。標(biāo)準(zhǔn)定義了大量不同的編碼和分布矩陣形式。原理上可以使用2，3，4個發(fā)射天線。在所有的模式中，可以選擇矩陣矩陣A，B，C。在圖14所示的譯碼模塊中，數(shù)據(jù)流與選擇的矩陣形式相乘，然后映射到不同的發(fā)射天線。
圖14 下行WiMAX示意圖
在實際的系統(tǒng)中，矩陣A和B實現(xiàn)方式如公式（6）所示。
矩陣A對應(yīng)發(fā)射分集，矩陣B對應(yīng)空分復(fù)用（也稱為真正的MIMO），而在3天線和4天線系統(tǒng)中，也存在相應(yīng)的矩陣形式。
在WiMAX的上行MIMO中，僅僅是采用不同的導(dǎo)頻序列，編碼和映射方式與非MIMO方式相同。此外，SU-MIMO中兩個不同的用戶使用相同的信道（稱為協(xié)同MIMO，MU-MIMO）。
3.3 WLAN（802.11n）
根據(jù)802.11n的規(guī)范定義，WLAN需要在40MHz的帶寬內(nèi)達(dá)到峰值速率600Mbit/s。調(diào)制方式采用BPSK，QPSK，16QAM和64QAM。WLAN802.11n可以后向兼容802.11a/b/g。系統(tǒng)最多支持4個發(fā)射天線，對應(yīng)4個數(shù)據(jù)流。
WLAN可以區(qū)別空間流SS和空時流STS。如果NSS<NSTS，空時塊譯碼器會將空間流分配制空時流，并且通過編碼實現(xiàn)發(fā)射分集。WLAN下行示意圖參見圖15。
圖15 WLAN下行示意圖
圖16給出了NSS = 1 and NSTS = 2的矩陣形式。
圖16 NSS < NSTS的編碼矩陣形式
在空間映射模塊中，STS映射到發(fā)射鏈路(NTX)，可以提供3種不同的方式：首先是直接映射1到1從STC映射到TC；其次是空間擴展，也就是另外用一個矩陣進行相乘。圖17所示為2個空時流和3個發(fā)射天線的示例；最后是波束形成，也就是另外用一個矢量進行相乘。
圖17 兩個空時流和3個發(fā)射天線的示例矩陣
