5G的十大關鍵技術-MIMO

通過無線信道傳播的信號沿著大量不同的路徑到達目的地，這些不同路徑稱為多徑。圖 1 是一位沿公路駕車的典型移動用戶的圖形。該圖描述了從發(fā)射機到接收機的眾多信號路徑中的三條。這些路徑源自環(huán)境中物體對輻射能的散射、反射和衍射或者媒介中的折射。各種傳播機制對路徑損耗和衰落模型產(chǎn)生不同的影響。

接收信號的功率會因為三種效應而發(fā)生變化: 平均傳播 (路徑) 損耗、宏觀 (大型或 "緩慢") 衰落和微觀 (小型或 "快速") 衰落，如圖 2 中所示。平均傳播損耗與距離有關，由水、植物的吸收以及地面的反射效應產(chǎn)生。宏觀衰落是由于建筑物和自然地物的陰影效應所產(chǎn)生的。微觀衰落是由于多徑的相長、相消組合所產(chǎn)生，由于微觀衰落的幅度波動快于宏觀衰落的幅度波動，所以也將其稱為快衰落。

無線傳播特性

平均傳播損耗

信號強度的總平均損耗是距離的函數(shù)，它遵循 1/d n 律，其中 d 是發(fā)射機和接收機之間的距離，n 是取值范圍為 2 至 6 的斜度指標，其具體取值與環(huán)境有關。例如，在自由空間， n = 2，斜度為 20 dB/10 倍程。在陸地環(huán)境中，典型值為 n = 4，導致 40 dB/10 倍程信號衰落，它是距離的函數(shù)。在這一陸地設置中，將距離從 100 英尺更改為 1000 英尺 (一個 10 倍程) 將導致信號功率平均衰減 40 dB。

宏觀 (慢) 衰落

宏觀衰落 (慢衰落) 是由于建筑物和自然地物的陰影效應所導致，接收信號在大約 20 倍波長距離內(nèi)的局部平均值可以確定此衰落值。宏觀衰落分布受天線高度、工作頻率和特定類型環(huán)境的影響。慢衰落偏離平均傳播損耗值的偏差值被看作一個隨機變量，如果以分貝 (dB) 表示，其接近正態(tài)分布，可以認為它是一種對數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)(PDF) 如下所示。

在上式中，x (單位為 dB) 是一個隨機變量，表示信號功率電平的大幅波動。變量 μ 和 σ 分別是 x 的均值和標準差。μ 和 σ 均用 dB 表示。均值 μ 等于前節(jié)中所討論的平均傳播損耗。對于城市環(huán)境，標準差 σ 的取值可高達 8 dB。

微觀 (快) 衰落

微觀衰落 (快衰落) 是因為從周圍環(huán)境接收的大量多徑信號相長、相消干擾而造成的。當距離變化大約二分之一波長時，接收信號的強度可能會發(fā)生快速變化，所以將這一特性命名為 "快" 衰落。如果要在大約 20 波長的較短距離上研究接收功率的衰落特性，則可以將疊加信號的同相 (I) 分量和正交 (Q) 分量模型設定為獨立的零均值高斯過程。這一模型假定散射分量的數(shù)目很大，而且相互獨立。因此，接收信號的電壓振幅包絡為瑞利分布，其 PDF 給出如下

其中，x 是一個隨機變量，這里取作接收電壓的振幅，σ 是標準差。對于靜態(tài)用戶，由于該用戶鄰近區(qū)域中的散射體存在相對運動，所以也存在類似的響應，它是時間的函數(shù)。峰值與零陷之間的功率電平相對變化通常為 15-20 dB，但在某些信道條件下可能高達 50 dB。

如果發(fā)射機和接收機之間存在直接路徑，那么信號包絡不再是瑞利分布，信號幅度的統(tǒng)計特性將服從萊斯分布。萊斯衰落由瑞利分布信號與直接或者視線 (LOS) 信號之和形成。萊斯衰落環(huán)境具有一條很強的直接路徑，它到達接收機的時間時延與來自本地散射體的多徑到達時延大致相同。萊斯分布的電壓幅度包絡具有如下 PDF

其中，x 是一個隨機變量，這里取作所接收的電壓幅度，σ 是標準差。I 0 ( ) 項是第 一類零階修正貝塞爾函數(shù)。由于 I 0 ( ) = 1，所以當 K = 0 時，萊斯分布簡化為瑞利分布。萊斯分布由這個 K 因子定義，對于無線環(huán)境來說，K 因子定義為 LOS 分量與散射分量的功率比。

MIMO技術回顧

許多無線系統(tǒng)如 IEEE 802.11n WLAN、基于 IEEE 802.16e 的 Mobile WiMAXTM Wave 2 和長期演進 (LTE) 等移動無線系統(tǒng)近來已經(jīng)采用了 MIMO技術和多天線技術。MIMO技術通過提高頻譜效率實現(xiàn)了更高數(shù)據(jù)速率的承諾。

MIMO 具有增強信號魯棒性和提高容量的潛力，但是 MIMO器件與系統(tǒng)的開發(fā)和測試需要一些高級信道仿真工具。

本文首先回顧 MIMO技術和無線信道的基本特性，然后介紹空間相關概念及其對 MIMO性能的影響。還包括對 MIMO信道空間特性建模的示范，并描述如何使用商用儀表 (例如信號源) 對這些復雜信道進行仿真。

SIMO（Single-Input Multiple-Output）單輸入多輸出

單發(fā)多收：雖然有2路信號，但是這2路信號是從同一個發(fā)射天線發(fā)出的，所以發(fā)送的數(shù)據(jù)是相同的，傳輸?shù)娜匀恢挥?路信號。這樣，當某一路信號有部分丟失也沒關系，只要終端能從另一路信號中收到完整數(shù)據(jù)即可。雖然最 大容量還是1條路徑，但是可靠性卻提高了1倍。這種方式叫作接收分集。

MISO（Multiple-Input Single-Output）多輸入單輸出

因為接收天線只有1個，所以這兩路最終還是要合成1路，這就導致發(fā)射天線只能發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)倪€是只有1路信號。這樣做其實可以達到和SIMO相同的效果，這種傳輸系統(tǒng)叫作多輸入單輸出，即MISO。這種方式也叫發(fā)射分集。

什么是MIMO技術？

那么什么是MIMO技術呢？通俗的說就是為了提升無線信號的傳輸質(zhì)量，而利用多個天線將無線信號進行同步收發(fā)的無線技術。能利用發(fā)射端的多個天線各自獨立發(fā)送信號，同時在接收端用多個天線接收并恢復原信息。

MIMO技術采用空間復用技術對無線信號進行處理后，數(shù)據(jù)通過多重切割之后轉換成多個平行的數(shù)據(jù)子流，數(shù)據(jù)子流經(jīng)過多副天線同步傳輸，在空中產(chǎn)生獨立的并行信道傳送這些信號流；為了避免被切割的信號不一致，在接收端也采用多個天線同時接收，根據(jù)時間差的因素將分開的各信號重新組合，還原出原本的數(shù)據(jù)。

MIMO技術的優(yōu)點

MIMO技術的優(yōu)點是通過增大天線的數(shù)量來傳輸信息子流，將多個數(shù)據(jù)子流同時發(fā)送到信道上，各發(fā)射信號占用同一頻帶，從而在不增加頻帶寬度的情況下增加頻譜利用率。使用MIMO技術后，可以令無線信號的傳輸距離、天線的接受范圍進一步擴大，信號抗干擾性更強，無線傳輸更為精準快速。

MIMO與傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)相比多個發(fā)射和接收天線為無線系統(tǒng)的設計者打開了一個新的維度--空間自由度。信號在多對收發(fā)天線間經(jīng)歷不同的信道衰落，如果這些衰落的統(tǒng)計特性互相獨立，就相當于在通信系統(tǒng)中引入了多個傳輸通道。這和增加系統(tǒng)傳輸帶寬幾乎可以達到同樣的效果。

垂直方向的波束賦形可以使波形具有更強的方向性，垂直方向上的波束分離使基站可以同時服務多個終端且保證終端之間的干擾為最小

按照天線的空間分配可以分為空分復用(Spatial multiplexing)和空間分集(Spatial diversity)

空分復用(Spatial multiplexing)通過在不同天線上傳輸不同的數(shù)據(jù)流來提高系統(tǒng)的吞吐。空間分集(Spatial diversity)通過利用多根天線帶來的信道多樣性，在不增加發(fā)射功率的前下提高接收信噪比降低誤碼率。

按照數(shù)據(jù)流到天線端口，天線單元的映射方式可以分為：預編碼(precoding)和波束賦形(beamforming)，預編碼也常被稱作數(shù)字波束賦形(digital beamforming)。

盡管預編碼和波束賦型是分別在數(shù)字域和模擬域的操作，但兩種技術的本質(zhì)都是試圖改變信道的指向，使能量聚集到信號需要進行傳輸?shù)姆较颉?/span>