MIMO原理及测试实验参考

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