MIMO技術介紹

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動通信的核心技術。

　　MIMO技術大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復用。傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號通過不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機端可以獲得數(shù)據(jù)符號多個獨立衰落的復制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線n根接收天線，發(fā)送信號通過n個不同的路徑。如果各個天線之間的衰落是獨立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差概率可以減小到 ，單天線衰落信道的平均誤差概率為 。對于發(fā)射分集技術來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。智能天線技術也是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效的提高天線增益，降低用戶間的干擾。廣義上來說，智能天線技術也可以算一種天線分集技術。

　　分集技術主要用來對抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來增加通信中的自由度（degrees of freedom）。從本質上來講，如果每對發(fā)送接收天線之間的衰落是獨立的，那么可以產(chǎn)生多個并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流，可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率，這被稱為空間復用。需要特別指出的是在高SNR的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時對于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對之間是獨立均勻分布的瑞利衰落的。

　　根據(jù)子數(shù)據(jù)流與天線之間的對應關系，空間多路復用系統(tǒng)大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

　　最大似然檢測器方案優(yōu)化MIMO接收器性能

　　對于改進數(shù)據(jù)速率和/或信噪比，多輸入和多輸出（MIMO）是領先的方法之一。通過使用多個接收和發(fā)送天線，MIMO可利用無線信道的多樣性。對于任何給定的信道帶寬，這可用于提高信道的頻譜效率并改進數(shù)據(jù)速率。

　　MIMO的規(guī)格取決于發(fā)送和接收天線的數(shù)量。在一個4×4 MIMO配置中，使用了四個發(fā)送天線和四個接收天線。這在同樣信道帶寬上實現(xiàn)了（在合適的條件下）高達四倍的數(shù)據(jù)傳輸。

　　一方面，簡單的MIMO接收器基于線性接收器算法，其易于實現(xiàn)但無法完全利用MIMO的好處。另一方面，使用迭代法，可以實現(xiàn)最佳的最大后驗概率近似MIMO算法；然而，這會導致高延時的不足。一種更加實用的非線性MIMO接收器的實施途徑是最大似然（Maximum Likelihood， ML）或最大似然檢測器（Maximum Likelihood Detector， MLD）， 它在根本上是基于一個徹底的并列搜索。MLD在處理方面比傳統(tǒng)線性接收器要求更高，但對于相同的信道條件，可提供明顯更高的比特率。另外，對于具有天線相關性的信道，MLD更穩(wěn)健可靠。

　　使用高階MIMO規(guī)格（超過兩個接收和兩個發(fā)送天線）可以導致顯著的頻譜效率改進——但這也有其成本代價：隨著MIMO規(guī)格的增加，MLD接收器的計算復雜性以指數(shù)方式增加。高階MIMO要求相當大的處理能力——對于這一點，直接的MLD方法是不切實際的，必須使用次優(yōu)（suboptimal）MLD算法來實現(xiàn)用戶設備（User Equipment，UE）的實施。

　　次優(yōu)ML接收器

　　次優(yōu)ML接收器試圖以更有效的方法來掃描可能的傳送信號，從而減少整體復雜性并達到接近ML精度的結果。減少復雜性有助于根據(jù)大小和功率進行更加實際的硬件實施。這還使硬件能夠保持由先進通信標準規(guī)定的高吞吐量。

　　次優(yōu)ML方程式的解決可定義為一種樹形搜索，其中樹的每一個層級對應于一個發(fā)送符號。每個節(jié)點的分支突出數(shù)匹配QAM或發(fā)送符號的調(diào)制。一個4×4 MIMO配置可由一個四層樹表示。假如調(diào)制為BPSK，每個節(jié)點將包含兩個分支。

　　一旦定義了樹的符號，可以部署樹遍歷算法，借用其它領域比如計算機科學。 關于此點，次優(yōu)ML接收器可劃分為兩個主要類型：

　　1. 橫向優(yōu)先搜索

　　2. 深度優(yōu)先搜索

　　橫向優(yōu)先搜索

　　橫向優(yōu)先的一個例子就是K-best算法。該解碼器是一個固定復雜性解決方案，從樹根開始并上行，直至它達到樹的最后一層。在樹的每層上，對所有選擇的分支進行了評估并保留K留存節(jié)點，匹配最佳解決方案（代表了最接近接收信號的符號）——因此得名“K-best”。K剩余樹葉然后就用于生成LLR結果。

　　該解碼器的優(yōu)點是：

　　* 單向流有助于硬件的簡易流水線實施。

　　* 計算每層所需要的處理能力是恒定的，且直接與實施中所選的留存節(jié)點（K）的數(shù)量相關。

　　* 數(shù)據(jù)吞吐量是恒定的，其反過來簡化了在系統(tǒng)中計劃的數(shù)據(jù)流

　　該解碼器的缺點包括：

　　* 需要大面積實施以便評估和分類所有選擇的層級節(jié)點。

　　* 精度要求越高，所需要的K值越高。

　　* 在最佳SNR條件中，數(shù)據(jù)吞吐量不會增加。

　　* 不能保證達到ML解決方案，因為最佳解決方案可能存在于沒有選擇的節(jié)點中。

　　下述圖表顯示了一個采用QPSK調(diào)制的MIMO 4×4 （4-層）樹。在此例子中，K為四。樹的每層將分為十六個節(jié)點。最好的四個將會是用于下一層的留存節(jié)點。

　　深度優(yōu)先搜索

　　深度優(yōu)先的一個例子就是軟輸出球解碼（Soft-Output Sphere Decoder）算法。此解碼器是一種自適應復雜性解決方案，從樹根開始并首先直接上升到樹葉——因此得名“深度優(yōu)先”。該樹的優(yōu)先解決方案確定了初始搜索半徑或范圍。從那時起，解碼器在整個樹層中追溯并上升。對樹的每個超出搜索半徑的節(jié)點及其下面的所有節(jié)點進行修整。每次找到一個更好的解決方案，相應地減少半徑范圍。以此方法，掃描并修整了符號樹，直至有效選項數(shù)量減少。余下的符號代表了ML解決方案。

　　此解碼器的優(yōu)點是：

　　* 可保證獲得ML解決方案，有助于結果精確度。

　　* 在高SNR條件下， 解碼器運行更快，增加了數(shù)據(jù)吞吐量并降低了功耗。

　　* 相比同等的橫向優(yōu)先解決方案，可在更小區(qū)域內(nèi)實施。

　　圖3顯示了具有自適應復雜性軟輸出球解碼器與固定復雜性K-best解碼器間的循環(huán)計數(shù)比較。因為SNR增加，球解碼器將減少它的循環(huán)計數(shù)，而固定復雜性將保持不變，無論信道條件如何。

　　該解碼器的缺點包括：

　　* 解碼器的非確定性表現(xiàn)使系統(tǒng)計劃復雜化。

　　* 僅在當前分支完成后才知道下一個分支選擇。這使得硬件傳遞途徑的實施受到挑戰(zhàn)。

　　圖4顯示了一個采用QPSK調(diào)制的MIMO 4×4 （4層）樹例子。

　　1. 深度優(yōu)先以下列方式選擇到第一個樹葉的符號路徑：a. -3 （層1）；b. -3 （層2）；c. 1 （層 3）；d. 3 （層 4）

　　2. 更新了初始半徑

　　3. 追溯執(zhí)行到第二層的一個符號

　　4. 在搜索期間，修整了超出搜索半徑的分支（紅色所示），因此使搜索樹最小化。