MIMO天线3种技术分析

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在空时编码中，STTC能够在不增加传送宽带和不改变信息速率的情况下，获得最大的编码增益和分集增益。

1.2 空间复用

系统将数据分割成多份，分别在发射端的多个天线上发射出去，接收端接收到多个数据的混合信号后，利用不同空间信道间独立的衰落特性，区分出这些并行的数据流。从而达到在相同的频率资源内获取更高数据速率的目的。空间复用与发射分集技术不同，它在不同天线上发射不同信息。

空间复用技术是在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行解码，此时的空口信道容量随着天线数量的增加而线性增大，从而能够显著提高系统的传输速率（见图3）。

使用空间复用技术时，接收端必须进行复杂的解码处理。业界主要的解码算法有迫零算法（ZF）、MMSE算法、最大似然解码算法（MLD）和贝尔实验室分层空时处理算法（BLAST）。

迫零算法，MMSE算法是线性算法，比较容易实现，但对信道的信噪比要求较高，性能不佳；MLD算法具有很好的译码性能，但它的解码复杂度随着发射天线数量的增加呈指数增加，因此，当发射天线的数量很大时，这种算法是不实用的；综合前述算法优点的BLAST算法是性能和复杂度最优的。

BLAST算法是贝尔实验室提出的一种有效的空时处理算法，目前已广泛应用于MIMO系统中。BLAST算法分为D-BLAST算法和V-BLAST算法。

D-BLAST算法是由贝尔实验室的G.J.Foschini于1996年提出的。对于D-BLAST算法，原始数据被分为若干子数据流，每个子流独立进行编码，而且被循环分配到不同的发射天线。D-BLAST的好处是每个子流的数据都可以通过不同的空间路径到达接收端，从而提高了链路的可靠性，但其复杂度太大，难以实际使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改进的V-BLAST算法，该算法不再对所有接收到的信号同时解码，而是先对最强信号进行解码，然后在接收信号中减去最强信号，再对剩余信号中最强信号进行解码，再次减去，如此循环，直到所有信号都被解出。

2002年10月，世界上第一个BLAST芯片在贝尔实验室问世，这标志着MIMO技术走向商用的开始。

1.3 波束成型技术

波束成型技术又称为智能天线，通过对多个天线输出信号的相关性进行相位加权，使信号在某个方向形成同相叠加，在其他方向形成相位抵消，从而实现信号的增益。

当系统发射端能够获取信道状态信息时（如TDD系统），系统会根据信道状态调整每个天线发射信号的相位（数据相同），以保证在目标方向达到最大的增益；当系统发射端不知道信道状态时，可以采用随机波束成形方法实现多用户分集。

2 3种技术的优缺点及应用场景

空间复用能最大化MIMO系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益，在信噪比较小时使用，可能无法使用高阶调制方式（如16QAM等）。

无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射，使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立，从而使得空间复用的效果更加明显。

无线信号在市郊、农村地区，多径分量少，各空间信道之间的相关性较大，因此空间复用的效果要差许多。

对发射信号进行空时编码可以获得额外的分集增益和编码增益，从而可以在信噪比相对较小的无线环境下使用高阶调制方式，但无法获取空间并行信道带来的速率红利。空时编码技术在无线相关性较大的场合也能很好地发挥效能。

因此，在MIMO的实际使用中，空间复用技术往往和空时编码结合使用。当信道处于理想状态或信道间相关性小时，发射端采用空间复用的发射方案，例如密集城区、室内覆盖等场景；当信道间相关性大时，采用空时编码的发射方案，例如市郊、农村地区。这也是3GPP在FDD系统中推荐的方式。

波束成型技术在能够获取信道状态信息时，可以实现较好的信号增益及干扰抑制，因此比较适合TDD系统。

依据文献［4］，波束成型技术不适合密集城区、室内覆盖等环境，由于反射的原因，一方面接收端会收到太多路径的信号，导致相位叠加的效果不佳；另一方面，大量的多径信号会导致DOA信息估算困难。

3 二重接收分集技术的数据速率提升作用

3G（WCDMA）室内空间二重分集接收的实测数据速率，也可说明多天线作用。室内分布空间二重分集接收如图4所示。

从表1可看出室内覆盖，二重分集接收速率提升2倍以上。

相关的规划设计人员应该思考在大楼内建3G基站，该花的钱，如基站主设备、物业、管道、基房、配套电源及空调等等加起来恐怕不会少于10万元，但仅仅缺少一路主馈线（200 m 0.6万元）不能用于分集（注意，原2天线1~2之间8 m没有分集），现改为分集，使得系统数据容量翻倍。

4 不强不弱的均匀信号覆