纯⼲货：MIMO原理及测试⽅法解析
本⽂介绍了MIMO的基本原理，并在此基础上对MIMO在不同移动通信系统中的应⽤进⾏了阐述。 1 引⾔
对于所有的⽆线通信系统⽽⾔，⽆论是3GPP UMTS这样的移动⽆线⽹络，还是像WLAN那样的⽆线局域⽹，除了通过⾼阶调制或更⼤的信号带宽这样传统的⽅式来提⾼数据速率以外，还可以通过多天线技术来提⾼信道的容量。作为未来移动通信的必选项⽬，MIMO已经引起了更多的关注，⽽对于MIMO系统的实现和测试，也成为通信⾏业的热点及难点。本⽂在介绍MIMO的基本原理以及在MIMO不同移动通信标准表现形式的基础上，介绍R&S公司提供的相应测试解决⽅案，可以满⾜不同客户、不同标准及不同阶段的MIMO系统测试需求。 2 MIMO基本原理
根据不同的传输信道类型，可以在⽆线系统中使⽤相应的分集⽅式。⽬前，主要的分集⽅式包括时间分集（不同的时隙和信道编码）、频率分集（不同的信道、扩频和OFDM）以及空间分集等。多天线系统利⽤的就是空间⽅式，⽽MIMO 作为典型的多天线系统，可以明显提⾼传输速率。⽽在实际的⽆线系统中，可以根据实际情况使⽤⼀种或者多种分集⽅式。
2.1 传统的⽆线系统（SISO）
传统的通信系统往往使⽤单个发射天线和单个接收天线，称之为SISO系统（见图1）。 图1 SISO天线配置
根据⾹农定理，⽆线信道容量C由信号带宽和信噪⽐决定。如公式1所⽰：
公式1
2.2 多天线系统
典型的MIMO系统如图2所⽰，包含m个发射天线和n个接收天线。根据⽆线信道的特性，每个接收天线都会接收到不同发射天线的内容，因此不同收发天线间的信道冲击响应均有不同的表现形式。
图2 通⽤的MIMO形式
如果定义发射天线1与接收天线1之间为h11，发射天线1和接收天线2之间定义为h21。这样可以得到n×m的传输矩阵，也就是我们所说的传输信道矩阵形式，如公式2所⽰：
公式2
当收发天线间的信道为窄带时不变系统时，可以得到MIMO系统接收信号表现形式为：
公式3
其中，接收信号Y，发射信号X及噪声n。
在MIMO系统中，发射天线的数据被分成⼏个独⽴的数据流。数据流M的数⽬⼀般⼩于或等于天线的数⽬。如果收发天线之间并不相等，那么等于或⼩于收发端最⼩的天线数⽬。例如，4×4的MIMO系统可以⽤于传送4个或者更少的数据流，⽽3×2的MIMO系统可以发送两个或者⼩于两个的数据流。理论上，传输信道的容量会根据数据流的数⽬线性增长，MIMO系统的信道容量表⽰如公式4决定。
公式4
对于⽬前的⽆线通信系统，MIMO的基本形式有如下⼏种：
（1）单⽤户MIMO（SU-MIMO）：如果MIMO系统⽤于增加⼀个⽤户的速率，称之为单⽤户MIMO（见图3）。
图3 SU-MIMO
（2）多⽤户MIMO（MU-MIMO）：如果每个独⽴的数据流分配给不同的⽤户，称之为多⽤户。这种模式主要对上⾏链路有⽤。从UE的复杂程度和体积来看，每个UE只能有⼀个发射天线，因此称之为“协同MIMO”，MU-MIMO如图4所⽰。
图4 MU-MIMO
（3）循环时延分集（CDD）：在OFDM系统中，CDD已经作为常规技术被⼴泛使⽤。对CDD⽽⾔，相当于在不同天线的发射信号之间存在相应的时延。其实质相当于在OFDM系统中引⼊了虚拟的时延回波成分，可以在接收端增加相应的选择性。因为CDD引⼊了额外的分集成分，所以往往被认为是空分复⽤的补充表现形式。
2.2.1 空间分集
空间分集对应于在不同的传输信道发送相对冗余的数据，这样可以提⾼系统的稳定性。常⽤的空间分集包含⼀下⼏种形式：
（1）接收分集
接收分集是在接收端使⽤⽐发射端更多的天线，最基本的接收分集包含2个接收天线和1个发射天线（SIMO，1×2），具体参见图5。
图5 SIMO天线配置
因为不需要特殊的编码⽅式，因此⽐较容易实现。在接收端只需2个射频通路。同时由于存在不同的传输路径，接收端可以观察到两个不同的衰落信号。在接收端使⽤适当的⽅法，可以增加接收端的信噪⽐。常⽤的⽅法包括开关选择分集和最⼤⽐例合并。选择开关分集总是使⽤较强的信号，⽽最⼤⽐例合并，是使⽤两个信号之和。具体形式参见图6。
图6 接收分集
（2）发射分集
如果发射天线数⽬⽐接收天线数⽬更多，称之为发射分集。最简单的发射分集形式是⽤2个发射天线和1个接收天线（MISO，2×1），具体参见图7。
图7 MISO天线配置
在2×1的MISO系统中，两个天线发送相应的数据内容。Alamouti的空时码是应⽤最⼴泛的天线编码⽅式。空时编码可以增加空间分集的性能：信号的副本通过不同的天线在不同的时间进⾏发送。发送的时延称为时延分集。Alamouti空时编码的实现⽅式如图8所⽰。
图8 Alamouti编码
在Alamouti编码中，信源⾸先被分为两组，每组两个字符。在第⼀个给定的字符间隔内，每组中的两个字符被同时发射：从天线1发射的信号为S1，从天线2发射的信号为S2。在下⼀个字符间隔内，信号-S2*从天线1发射，信号S1*从天线2发射。
⽬前，Alamouti编码已经扩展到多天线系统。当然，Alamouti编码也可以在频域实现，此时称为空频编码。
2.2.2 空分复⽤
空分复⽤不仅仅是为了增加系统的稳定性，同时也可以增加传输速率。为了提⾼传输速率，数据可以分成⼏个数据流，然后在不同的天线上进⾏传输。空分复⽤的天线形式如图9所⽰。
图9 MIMO天线配置
因为MIMO通过⽆线信道进⾏传输，不同的收发天线之间都存在相应的传输信道。同时由于每个传输路径的冲击响应的存在，因此不同的传输信道之间存在相互影响。根据公式2和公式3，如果MIMO系统的传输矩阵H是已知的，那么从接收机可以得到不同天线的数据内容。
2.2.3 波束形成
通过使⽤不同的天线技术可以明显地增加⽹络容量。例如，对于不同扇区的天线，每个天线可以覆盖60或120度，作为⼀个⼯作⼩区。在GSM系统中，相⽐于全向天线⽽⾔，采⽤120度波束天线可以提⾼3倍的⼩区容量。
⾃适应天线阵列可以通过窄带波束实现空间分集。智能天线属于⾃适应天线阵列的⼀种。智能天线可以形成⼀个特定⽤户的波束，并且可以根据反馈信号实现实时的动态调整。智能天线可包括切换式波束形成和⾃适应波束形成，可以⽤于所有的天线阵列系统以及MIMO系统（见图10）。
图10 切换波束形成和⾃适应波束形成
切换式波束形成可以计算到达⾓并且切换固定的波束。⽤户只能沿波束⽅向才可以得到最优的信号强度。⽽⾃适应波束形成可以根据运动的终端⽽实时地调整波束⽅向，因此⾃适应波束形成要⽐切换式波束形成的复杂程度更⾼，花费也更⼤。
3 ⽆线通信系统中的MIMO技术
⽬前，MIMO已经成为未来移动通信技术的必选项⽬，都会采⽤相应的分集和复⽤技术。以下简单介绍不同标准中对应MIMO的不同表现形式。
3.1 3GPP UMTS
作为主流的移动通信标准，3GPP标准已经有了长⾜的发展。从WCDMA开始，已经引⼊了很多提⾼传输速率的⽅法，包括HSDPA和HSUPA。最新版本包括HSPA+和LTE。
3.1.1 HSPA+(3GPP R7/R8)
R99（WCDMA）已经引⼊了发射分集的概念，为了⽐R6版本的HSDPA可以得到更⾼的传输速率，R7版本的
HSPA+采⽤了MIMO的技术。在下⾏链路中，可以采⽤MIMO或64QAM的调制⽅式，对应的峰值速率可以达到
28Mbit/s，但在R7版本MIMO和64QAM不能同时使⽤。⽽在R8的标准中，MIMO和64QAM可以同时使⽤，峰值速率最⾼可达42Mbit/s，不⽀持上⾏MIMO。
对于⾼速下⾏共享信道，MIMO使⽤两个发射天线阵列，实现⽅式如图11所⽰。
图11 PA+MIMO⽰意图
使⽤两个发射天线阵列，两个独⽴的数据流同时在⽆线信道内传输，可以采⽤和WCDMA⼀样的信道化码。在扩频和加扰后，为了更好地在⽆线信道中传输，对其进⾏相应的加权预编码。此时需要得到4个ω1~ω4的加权因⼦。第⼀个数据流⽤加权因⼦ω1和ω2相乘，第⼆个数据流⽤加权因⼦ω3和ω4相乘，加权因⼦由公式（5）决定。
此时，ω1是固定的，ω2根据进⾏选择。为了保证正交，加权因⼦ω3和ω4根据ω1和ω2得到。根据上⾏终端选择最优的加权因⼦。
除了在HS-DSCH中使⽤MIMO，加权的相关信息必须通过HS-SCCH控制信道传送给终端UE。尽管在上⾏中不使⽤MIMO，但是和MIMO相关的信息仍然必须在上⾏链路中传输。终端UE在HS-DPCCH信
道中发送相应的预编码控制指⽰和信道质量指⽰，这样可以让根据信道情况来调整调制、编码⽅式和预编码的加权因⼦。关于HSPA+的更多细节，请参阅参考⽂献。
3.1.2 LTE(3GPP R8)
3GPP R8版本中定义的LTE，采⽤降低延时和分组交换技术可以达到更⾼的传输速率。LTE的多址⽅式下⾏采⽤OFDM，上⾏采⽤SC-OFDM，同时MIMO技术也是LTE的重要组成部分。LTE规定的调制⽅式包括QPSK，16QAM和64QAM。下⾏的峰值速率最⾼可达300Mbit/s(4×4MIMO)和150Mbit/s(2×2MIMO)，上⾏最⾼可达75Mbit/s。
LTE的下⾏链路如图12所⽰。在LTE的下⾏传输中，LTE包括：单天线传输，没有MIMO；发射分集；开环空分复⽤，⽆需UE反馈信号；闭环空分复⽤，需要UE反馈；多⽤户MIMO（在指定的相同RB上有多个UE）；闭环预编码；波束形成等⼏种传输模式。
阵列天线
图12 LTE下⾏链路⽰意图
在LTE系统中，1个或2个码字可以映射到多个空间复⽤的传输层（图12中的Layer Mapper模块）。在空间复⽤之前，⾸先经过⼀个预编码的过程（图12中的Precoding模块），也就是与根据码本定义的预编码矩阵W相乘，预编码后的数据发送到各个天线。在收发天线两端都要经过相同的预编码过程。根据不同的天线数⽬以及空间复⽤和发射分集的⽅式，规范定义了不同的码本。图13为2天线情况下空分复⽤的预编码矩阵形式。
图13 2天线情况下空分复⽤的预编码矩阵形式
在LTE的上⾏链路中，为了降低终端UE的复杂程度，采⽤MU-MIMO技术。在MU-MIMO技术中，多个UE每个使⽤⼀个发射天线，在相同的⽆线信道中进⾏传输。
3.2 WiMAXTM(802.16e-2005)
WiMAX技术可以在20MHz的信道带宽内达到74Mbit/s的峰值速率。调制⽅式包括QPSK，16QAM和64QAM。WiMAX的下⾏链路如图14所⽰。WiMAX 802.16e标准现在已经将MIMO定义为必选项。标准定义了⼤量不同的编码和
分布矩阵形式。原理上可以使⽤2，3，4个发射天线。在所有的模式中，可以选择矩阵矩阵A，B，C。在图14所⽰的译码模块中，数据流与选择的矩阵形式相乘，然后映射到不同的发射天线。
图14 下⾏WiMAX⽰意图
在实际的系统中，矩阵A和B实现⽅式如公式（6）所⽰。
矩阵A对应发射分集，矩阵B对应空分复⽤（也称为真正的MIMO），⽽在3天线和4天线系统中，也存在相应的矩阵形式。
在WiMAX的上⾏MIMO中，仅仅是采⽤不同的导频序列，编码和映射⽅式与⾮MIMO⽅式相同。此外，SU-MIMO中两个不同的⽤户使⽤相同的信道（称为协同MIMO，MU-MIMO）。
3.3 WLAN（802.11n）
根据802.11n的规范定义，WLAN需要在40MHz的带宽内达到峰值速率600Mbit/s。调制⽅式采⽤
BPSK，QPSK，16QAM和64QAM。WLAN802.11n可以后向兼容802.11a/b/g。系统最多⽀持4个发射天线，对应4个数据流。
WLAN可以区别空间流SS和空时流STS。如果NSS<NSTS，空时块译码器会将空间流分配制空时流，并且通过编码实现发射分集。WLAN下⾏⽰意图参见图15。
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