MIMO在WiMAX和LTE中的應(yīng)用及測試解決方案

　　MIMO出現(xiàn)的背景

　　隨著無線通信的迅速發(fā)展，對系統(tǒng)的容量和頻譜效率提出了越來越高的要求。為此人們作出了各種努力，如擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬，優(yōu)化調(diào)制方式，或者采用復(fù)雜的碼分多址系統(tǒng)等來滿足這一要求。但這些方法的應(yīng)用終歸是有限的。很顯然，帶寬不可能無限的擴(kuò)展，調(diào)制階數(shù)不可能無限的增高，碼分多址系統(tǒng)信道之間不可能理想的正交。為此，MIMO（Mutiple input Mutiple output）系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它通過采用空時編碼（STC）,利用多天線陣列實現(xiàn)空分復(fù)用，在有限的帶寬內(nèi)極大地提高了頻譜效率。因此，MIMO成為Wimax, LTE, 802.11n以及幾乎所有未來‘熱門’的無線通信系統(tǒng)所必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　MIMO與OFDM

　　MIMO適用于所有的無線通信技術(shù)。它與OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)的結(jié)合應(yīng)用更具優(yōu)勢。MIMO系統(tǒng)的信道模型是建立在非頻率選擇性的窄帶信道基礎(chǔ)之上，而OFDM通過許多正交的子載波將寬帶系統(tǒng)窄帶化，且通過前向糾錯技術(shù)（FEC），能很好地對抗頻率選擇性衰落。此外，OFDM還為MIMO提供了更多的自由度，即允許空時編碼的時間尺度可以應(yīng)用于某幾個子載波，從而實現(xiàn)更優(yōu)的系統(tǒng)性能。

　　表1列出了MIMO在目前一些‘熱門’通信標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用，其中除3GPP Release 7外，其它標(biāo)準(zhǔn)均采用OFDM技術(shù)。

　　MIMO系統(tǒng)實現(xiàn)上的考慮

　　MIMO系統(tǒng)要求傳輸信道之間盡可能的互不相關(guān)，因此除了選擇適當(dāng)?shù)木幋a方式和應(yīng)用于高‘散射’的信號傳輸環(huán)境之外，還要求天線之間必須有足夠的距離（在BS端大約為10~20倍信號波長，在MS端至少為一倍信號波長）。此外，更多的天線及收發(fā)鏈路意味著更大的硬件、空間占用和功率消耗。因此對于MS側(cè)，兩根天線以上的MIMO方案是很難實現(xiàn)的，在BS側(cè)，發(fā)射天線的數(shù)目也會受到一定的限制。

　　WiMAX對MIMO的支持

　　IEEE 802.16-2004 標(biāo)準(zhǔn)對MIMO的支持比較有限，僅考慮了Alamouti 編碼方案，而且不是強(qiáng)制的。IEEE 802.16e 對 MIMO提供了強(qiáng)有力的支持，對于Downlink, 它既支持空分復(fù)用，也支持空間分集，其方案如圖1。

　　對于Uplink，IEEE 802.16e也定義了幾種可供選擇的方案，如圖2所示。但對于移動WiMAX，只采用了Collaborative SM方案，在這種方案下，各自只帶一根天線的兩臺MS在相同時間相同信道上發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，它們之間通過導(dǎo)頻（pilot）符號來區(qū)分。

　　LTE對MIMO的支持

　　LTE采用2X2配置作為MIMO的基本配置，即基站和終端各兩根天線，未來也考慮4X4配置。在下行方向，LTE MIMO同時支持空分復(fù)用和空間分集兩種模式。這些下行的數(shù)據(jù)流可以屬于同一用戶（single user MIMO / SU-MIMO)，也可以是不同的用戶 (multi user MIMO / MU-MIMO)。

　　LTE有兩個固定的碼字用于不同空間層的映射，且該映射關(guān)系固定?？臻g層的個數(shù)等于信道矩陣的‘秩’，也即能同時傳輸?shù)莫?dú)立數(shù)據(jù)流個數(shù)。當(dāng)該矩陣的‘秩’為1時，就使用發(fā)射分集的方式，這時只需要傳輸一個碼字。

　　在空分多址模式下，通過對信號乘以一個預(yù)編碼矩陣進(jìn)行預(yù)編碼，該矩陣從預(yù)定義好的碼字集（codebook）中選取。UE通過估計信道質(zhì)量選取較優(yōu)的預(yù)編碼矩陣后，通過上行控制信道反饋給BS。對不同的數(shù)據(jù)塊可選擇不同的預(yù)編碼矩陣。其下行基帶信號的產(chǎn)生框圖如圖3：

　　在發(fā)射分集模式下，與WiMAX不同，LTE 采用SFBC（Space Frequency Block Coding）編碼，即在某一時刻，天線端口發(fā)送相同的數(shù)據(jù)符號，但這些數(shù)據(jù)映射在不同的子載波上，且具有不同的編碼。

　　LTE上行MIMO采用了MU-MIMO（Multiple user MIMO）方式，與WiMAX的Collaborative SM方案非常類似，每個UE只需要一根天線，在相同的資源塊上同時發(fā)送數(shù)據(jù)，它們通過彼此正交的導(dǎo)頻符號來區(qū)分。

　　RS公司MIMO測試解決方案

　　作為無線測試領(lǐng)域的引導(dǎo)者，RS公司提供了業(yè)界領(lǐng)先的MIMO測試解決方案。對于2X2 MIMO，在信號發(fā)生端，對于頻率3GHz以下的應(yīng)用，只需要在RS公司的雙通道矢量信號源RS SMU200A（業(yè)界唯一內(nèi)置信道模擬功能的雙通道矢量信號源）上添加一個MIMO選件即可。

　　以WiMAX為例，添加MIMO選件后，可以很方便地支持Matrix A，Matrix B兩種模式，而且可自由選擇該路基帶模擬天線0或者天線1。對于LTE MIMO的支持也同樣非常方便。