MIMO系统原理与标准概述(二)

空间复用

　　通过一个以上的天线发送多组数据流称为空间复用。有两种类型必须考虑。

　　第一种类型为V-BLAST（Vertical Bell实验室分层空间-时间），它发送空间未编码的数据流，不需要考虑在接收器上对信号进行均衡处理。

　　第二种类型是通过空间-时间编码实现的。与V-BLAST相比，空间时间编码提供正交编码方式，因此是独立的数据流。V-BLAST方法不能分离数据流，因此会出现多个数据流的干扰(MSI)。这会使传输变得不稳定，而前向错误编码并不总是能解决这个问题。空间-时间编码信号的检测基于一种简单的线性处理，并获得合理的结果。空间复用的优势是，容量的增加与发送天线的数量线性相关。

　　空间分集

　　空间复用可以提供更高的容量，但是信号质量并无改善。空间复用不仅没有提高信号质量，反而使信号质量降低了。空间分集能改善信号质量，并在接收端达到更高的信噪比。特别是在广大的网络区域，空间复用技术达到了自身的极限。网络环境越大，信号强度就必须越高。

　　分集原理依赖于结构化冗余的传输。这种冗余可以在任何时间，从任何天线、通过任何频率，或者以任何极化方式传输。而目前在MIMO技术中并没有考虑后一种方法。必须考虑两种空间分集：1. Tx分集，一个信号的副本从另外一个天线发送(例如2x1)；2. Rx分集，接收到的信号进行多次评估(例如2x1)。第一种可以与单声道和立体声信号相比。如果是立体声信号，人耳可以感受到更好的声音效果。第二种分集类似于两只耳朵，所听到的效果比单只耳朵更好。

　　
图1：MIMO物理信道的空间-时间编解码

　　为利用Tx分集，可以采用所谓的Alamouti空间-时间编码(见图3)。它可以获得完全的分集，只使用一个接收天线。通过采用比发送天线更多的接收天线和一种合适的组合算法，可以使用Rx分集。交换组合或最大定量组合是两个算法的例子。如果信道矩阵已知，这些算法与分集类型无关。用于空间分集的接收器算法见图2。通过近场空间复用和远场空间分集，可以实现无线通信系统的最佳性能和覆盖范围。

　　
图2：图2用于空间分集的接收器算法，A和B为相同的信号

　　空间-时间编码

　　空间-时间编码改善了性能，并使空间分集可以使用。信号的副本不仅从另外一个天线发送，而且在另外的时间发送。这种延时发送称为延时分集。空间-时间编码结合了空间和时间信号副本，如图3所示。

　　
图3：用于2个Tx天线空间-时间编码的Alamouti空间-时间块编码

　　信号s1和s2在两个数据链中复用。之后，加入一个信号复制来产生Alamouti空间-时间块编码。

　　空间-时间编码可以用两种不同的方法设计：1. 空间-时间块编码(STBC)(2个发送天线=Alamouti编码，见图3)；2. 终态状态机(FSM)产生空间-时间Trellis编码(STTC)。第一种编码是获得空间分集的最简单方法，得到了广泛的应用。目前第二种编码更复杂并且昂贵。对于超过两个天线的情况，图4中列出了几种伪Alamouti编码。

　　
图4：用于超过两个发送天线的复合Alamouti编码

　　图4中的编码指数首先与天线的数量有关，其次与空间数据流的数量相关。除了S42，这些编码不能获得完全分集，并且四个数据流只能通过空间复用实现，没有任何空间分集。图5中的编码基于实际的空间-时间块编码设计，并产生具有完全空间复用的完全分集。

　　
图5：用于3个Tx天线的空间-时间块编码

　　这种编码的问题是码率。码率是所使用信号与传输所需要时间的比值。上面的编码具有1/2的码率。

　　Vahid Tarokh开发了一种优化的空间-时间块编码，用于将码率增加到3/4。这种准正交STBC(见图6)很有效，但是允许一定的符号间干扰(ISI)。

　　
图6：用于3个Tx天线的优化的空间-时间块编码

　　尽管存在符号间干扰，误码率(BER)依然在允许范围内。这些编码都不能用来获得像Alamouti那样的全码率。

　　空间数据流的数量不能超过现有天线的数量。注意空间分集和空间复用间的折衷对于可靠和强大的MIMO系统很重要。

　　在某些情况出现宏分集的概念。这种分集可以用在MIMO系统中，但是与这些系统无关。如果终端设备同时连接到多个基站，宏分集用于基站切换处理。用户终端从几个方向接收到相同的信号，并将所有的信号组合起来获得更高的SNR。