在3G中应用MIMO技术

成型

波束成型技术又称为智能天线（Smart Antenna），通过对多根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（Constructive Interference），在其他方向形成相位抵消（Destructive Interference），从而实现信号的增益，参见图3。

图3 定向智能天线的信号仿真效果

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根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。

4 三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的发挥效能。

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。

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。

5 MIMO技术在3G的应用

综合使用空间复用技术和空时编码技术，使得MIMO能够在不同的使用场景下都发挥出良好的效果，3GPP组织也正是因为这一点，将MIMO技术纳入了HSPA+标准（R7版本）。

出于成本及性能的综合考虑，HSPA+中的MIMO采用的是2×2的天线模式：下行是双天线发射，双天线接收；上行为了降低终端的成本，缩小终端的体积，采用了单天线发射。也就是说，MIMO的效用主要是用在下行，上行只是进行传输天线选择。

HSPA+中，MIMO规定了下行的Precoding预编码矩阵，包括4种形式：

● 空间复用（Spatial Multiplexing）。
● 空时块码（Space Time Block Coding）。
● 波束成型（Beam Forming）。
● 发射分集（Transmit Diversity）。

在实际使用中，由基站根据无线环境的不同自动选择使用。

在HSPA+上行方面，MIMO技术有两种天线选择方案，即开环和闭环。

● 开环方案即TSTD（时分切换传输分集），上行数据轮流在天线间交替发送，从而避免单条信道的快衰落，参见图4。

图4 开环天线选择方案

● 闭环方案中，终端必须从不同的天线发送参考符号，由基站进行信道质量测量，然后选择信道质量好的天线进行数据发送，参见图5。

图5 闭环天线选择方案

MIMO技术能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。作为MIMO技术的发明者，阿尔卡特朗讯首先提出将MIMO技术加入3GPP标准，并积极推动MIMO技术在HSPA+的应用。我们相信，MIMO技术必将在未来的移动网络中占据重要的位置。