【導(dǎo)讀】MIMO 是multi-input multi-out put 系統(tǒng)的縮寫，從字面上來看任何具有多個(gè)發(fā)射和多個(gè)接收天線的無線系統(tǒng)都可以稱為MIMO。除了MIMO之外，還有single-input multiple-output (SIMO)，multiple-input single-output (MISO) 這些只在發(fā)射端或接收端有多個(gè)天線的準(zhǔn)多天線系統(tǒng)。
MIMO概述
MIMO 是multi-input multi-out put 系統(tǒng)的縮寫，從字面上來看任何具有多個(gè)發(fā)射和多個(gè)接收天線的無線系統(tǒng)都可以稱為MIMO。除了MIMO之外，還有single-input multiple-output (SIMO)，multiple-input single-output (MISO) 這些只在發(fā)射端或接收端有多個(gè)天線的準(zhǔn)多天線系統(tǒng)。相信大家都理解時(shí)分復(fù)用、頻率復(fù)用和碼分復(fù)用的概念，MIMO與傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)相比多個(gè)發(fā)射和接收天線為無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者打開了一個(gè)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(jì)特性互相獨(dú)立，就相當(dāng)于在通信系統(tǒng)中引入了多個(gè)傳輸通道。這和增加系統(tǒng)傳輸帶寬幾乎可以達(dá)到同樣的效果。上世紀(jì)90年代貝爾實(shí)驗(yàn)室一篇介紹 ‘MIMO V-BLAST’技術(shù)的論文引發(fā)了學(xué)術(shù)界MIMO技術(shù)研究的熱潮，20多年后MIMO以及大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)仍是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。
從3G時(shí)代開始多天線技術(shù)已經(jīng)在蜂窩及短距離通信等各種無線通信標(biāo)準(zhǔn)中得到廣泛應(yīng)用。LTE和 LTE -Advanced定義了TM1 – TM9九種傳輸模式 (Transport Mode) 。其中TM2 – TM9對應(yīng)不同類型的多天線技術(shù)，最多支持8天線8流數(shù)據(jù)傳輸。Release 13中增加了full dimension (FD)-MIMO，CSI-RS 端口數(shù)從8增加到16并引入了垂直方向的波束賦形。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中基站和不同終端用戶的天線往往處于 不同的高度 ，圖1 列出了幾種3GPP TS38.901標(biāo)準(zhǔn)中基站和終端的位置關(guān)系。垂直方向的波束賦形可以使波形具有更強(qiáng)的方向性，垂直方向上的波束分離使基站可以同時(shí)服務(wù)多個(gè)終端且保證終端之間的干擾為最小（圖2）。
[ 圖1 ]
FD-MIMO下最多32個(gè)交叉極化天線排成陣列，基站根據(jù)終端上報(bào)的測量信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行波預(yù)編碼/ 波束賦形處理。FD-MIMO中第一次提出了beamformed CSI-RS的概念，不同CSI-RS 端口經(jīng)過波束賦形在同一個(gè)物理天線上傳輸。FD-MIMO是NR大規(guī)模天線技術(shù) (Massive MIMO) 的雛形。NR標(biāo)準(zhǔn)將CSI-RS天線端口擴(kuò)大至32個(gè)，目前主流的設(shè)備商都推出了64T64R的基站產(chǎn)品。更多的CSI-RS端口以及天線數(shù)量使基站發(fā)出的信號具有更強(qiáng)的方向性，信道狀態(tài)信息的反饋具有更小的顆粒度。在FD-MIMO以及Massive MIMO技術(shù)中，因?yàn)榇嬖谒胶痛怪眱蓚€(gè)方向波束賦形的可能，對多天線無線信道進(jìn)行建模時(shí)需要考慮到三維空間中的物體帶來的各種折射，反射，散射等影響（圖2）。
[ 圖2 ]
傳統(tǒng)的2D 信道建模（時(shí)延，衰落功率）如圖3種右側(cè)所示從時(shí)間和功率兩個(gè)維度的對信道進(jìn)行了刻畫。在大規(guī)模天線系統(tǒng)中不同天線單元具有不同的空間位置和極化方向，無線信號經(jīng)過信道中不同反射簇(cluster)到達(dá)每個(gè)天線單元的信號具有不同的空間特性（到達(dá)角度，離開角度，角度擴(kuò)展等）。對多天線系統(tǒng)而言除了信道的時(shí)域、頻率選擇性之外，信道的空間特性也成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能評估的重要因素。
[ 圖3 ]
相信大家已經(jīng)對NR的MIMO技術(shù)有過一些了解，這里我們想用幾篇文章來和大家一起探究MIMO技術(shù)的本質(zhì)，是不是在任何信道條件下多天線系統(tǒng)都可以帶來速率的提升？
MIMO技術(shù)都有哪幾類，區(qū)別是什么？
波束賦型和預(yù)編碼有什么相同和不同的地方？
是德科技有哪些產(chǎn)品和方案可以進(jìn)行NR MIMO及Massive MIMO的測試？
MIMO分類與測試挑戰(zhàn)
圖4是一個(gè)具有M個(gè)發(fā)射和N個(gè)接收天線單元的MIMO系統(tǒng)的框圖。圖中只看到了發(fā)射和接收天線的數(shù)目，基帶處理單元數(shù)量、發(fā)射和接收天線陣列的排布以及不同天線發(fā)送的數(shù)據(jù)流之間的關(guān)系都無法了解。下面是幾種經(jīng)常見到的MIMO分類方式。
[ 圖4 ]
● 按照天線的空間分配可以分為
空分復(fù)用(Spatial multiplexing)和空間分集(Spatial diversity)：前者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；后者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。LTE中SFBC 就是頻率分集的一個(gè)典型應(yīng)用。
很多文章中將波束賦形與空間復(fù)用和空間分集并列。但前者是利用天線陣元之間的強(qiáng)相關(guān)性根據(jù)來波角度自適應(yīng)調(diào)整信道方向圖，減少干擾達(dá)到提高接收信噪比的目的。而空分復(fù)用/分集需要多天線間信道獨(dú)立不相關(guān)。本文中我們會把波束賦形與預(yù)編碼作為改變信道方向/能量的技術(shù)放在一起討論。
● 按照服務(wù)用戶數(shù)目可以分為單用戶MIMO(SU-MIMO)和多用戶MIMO(MU-MIMO)。
單用戶模式下通過對該用戶進(jìn)行多流數(shù)據(jù)傳輸以最大化其吞吐率。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，接收信噪比較好的用戶會更容易被調(diào)度為SU-MIMO來提高小區(qū)的峰值吞吐。在多用戶模式下，MIMO技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)在于利用多個(gè)用戶的信道信息構(gòu)建預(yù)編碼矩陣/波束賦形因子在保證單個(gè)用戶體驗(yàn)的同時(shí)減少用戶間干擾。MU-MIMO在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中多用于提高小區(qū)邊緣的吞吐和覆蓋。
● 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(yù)編碼(precoding)和波束賦形(beamforming)，預(yù)編碼也常被稱作數(shù)字波束賦形(digital beamforming)。
盡管預(yù)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(shù)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(jìn)行傳輸?shù)姆较颉Ｎ覀儊砜匆粋€(gè)例子。如果把物理天線看作是手電筒，圖5左側(cè)的兩個(gè)手電筒同時(shí)并行照向一個(gè)終端。由于下方的手電筒沒有對準(zhǔn)圖中終端的位置，終端幾乎接收不到來自下方手電筒的能量。改變下方手電筒的方向，使下方手電筒射出的光更好地指向終端。終端就可以獲得更多的能量。
[ 圖5 ]
在MIMO系統(tǒng)多個(gè)天線對之間空間信道也是有方向和能量的。模擬域的波束賦形通過調(diào)節(jié)天線陣列中不同天線單元間信號相位和幅度使得天線的方向具有指向性。基帶的預(yù)編碼處理相對模擬波束賦形理解起來要抽象很多，我們通過一個(gè)例子來了解下。
● 
在多天線系統(tǒng)中，m為發(fā)射信號向量，H為信道矩陣。信號經(jīng)過信道后，能量及方向都會發(fā)生變化。變化的趨勢由H信道的特性決定[1]。無線信道是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的物理屬性及所處環(huán)境決定的特性。預(yù)編碼是在充分了解收發(fā)信機(jī)間空間信道的前提下，通過疊加預(yù)編碼矩陣w對H進(jìn)行修正，使得預(yù)編碼后的等效信道P=H*w可以最大化接收機(jī)的吞吐或者多用戶場景下最小化多用戶之間的干擾。預(yù)編碼技術(shù)對MIMO系統(tǒng)的整體性能影響很大，因此MIMO的碼本設(shè)計(jì)、信道信息反饋機(jī)制一直是標(biāo)準(zhǔn)化討論的一個(gè)熱點(diǎn)。
● NR Massive MIMO 中波束賦形以及CSI-RS傳輸機(jī)制基本沿用了FD-MIMO的框架。
3GPP TS 36.879文檔給出了FD-MIMO兩種射頻鏈路到物理天線的映射關(guān)系。圖6是第一種為sub-array partition模式，在這一模式下物理天線被分成多個(gè)組，每個(gè)TXRU都連接到其中一個(gè)組。CSI-RS 天線端口與TXRU一一對應(yīng)，也成為Non-precoded CSI-RS，該模式下一個(gè)CSI-RS資源集(resource set)中CSI-RS的個(gè)數(shù)一般大于8。圖7是Non-precoded CSI-RS 傳輸模式的示例，NR基站在一個(gè)CSI-RS resource set 中分配32個(gè)CSI-RS天線端口，終端通過對32個(gè)天線端口的CSI-RS進(jìn)行測量并上報(bào)RI/PMI/CQI。
[ 圖6 ]
[ 圖7 ]
此模式下下圖8中的Port to TRUX矩陣退化為一個(gè)單元矩陣。
[ 圖8 ] 混合波束賦型發(fā)射機(jī)框圖
第二種為full connection 模式，在這一模式下每個(gè)TXRU經(jīng)過virtualization matrix 映射到不同的物理天線，每一個(gè)物理天線會同時(shí)對來自多個(gè)TXRU的信號進(jìn)行傳輸（圖9）。這種模式下CSI-RS 天線端口與TXRU通過一個(gè)矩陣進(jìn)行映射，該模式也成為precoded CSI-RS。CSI-RS 天線端口經(jīng)過Port-to-TRUX 以及 TRUX-antenna 映射形成多個(gè)波束。終端除了上報(bào)RI/PMI/CQI 之外，還需要通過CRI上報(bào)來指示一個(gè)或者幾個(gè)最強(qiáng)波束的beam index。由于CSI-RS被賦型，賦型帶來的空間自由度可以減少需要的CSI-RS數(shù)量，減少CSI-RS信令開銷，終端反饋開銷。Precoded CSI-RS模式中，CSI-RS resource set 中的CSI-RS 天線端口數(shù)一般小于8，對終端測量上報(bào)能力的要求遠(yuǎn)低于模式一。
[ 圖9 ]
[ 圖10 ]
● MIMO 測試挑戰(zhàn)與應(yīng)對
多天線系統(tǒng)的物理天線個(gè)數(shù)從LTE 的8、16、32增加到NR的64 甚至128。在對massive MIMO 產(chǎn)品進(jìn)行射頻指標(biāo)、信號質(zhì)量測試以及beamforming能力測試時(shí)，測試設(shè)備需要提供足夠的射頻端口來保證多端口測試結(jié)果的一致性及可重復(fù)性。同時(shí)還需要保證多端口設(shè)備具有良好的測試指標(biāo)以滿足NR信道的帶寬以及EVM需求。傳統(tǒng)的射頻測試儀表多針對單通道測試，端口數(shù)極度受限。用傳統(tǒng)儀表進(jìn)行MIMO、Massive MIMO測試往往需要使用合路器，開關(guān)矩陣以及移相器來完成。測試環(huán)境搭建復(fù)雜且無法保證不同射頻通道之間的相位相參(Phase coherence)，從而無法保證波束賦形的有效性。
Keysight 最近推出了E6464A/E6416A 多收發(fā)射頻測試儀 (MTRX) [3][4]。 MTRX是一種可擴(kuò)展的射頻測平臺。一臺E6464A/E6416A可以提供最多64/16個(gè)矢量信號分析儀 (VSA)和64/16個(gè)矢量信號發(fā)生器 (VSG)。MTRX內(nèi)置數(shù)字預(yù)編碼和massive MIMO信號加權(quán)矩陣功能，同時(shí)支持直通連接選項(xiàng)，可以對網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備進(jìn)行端到端波束賦形測試。MTRX中的矢量信號分析還可以通過Keysight Pathwave軟件，WaveJudege軟件完成或者保存為開放的IQ文件。圖11展示了以MTRX硬件為核心的5G Massive MIMO測試解決方案。
[ 圖11 ]
MIMO技術(shù)介紹——空分復(fù)用(spatial multiplexing)
空間復(fù)用指的是利用多天線系統(tǒng)的多個(gè)發(fā)射天線帶來進(jìn)行不同信號的發(fā)送。這里我們先不考慮預(yù)編碼以及波束賦形技術(shù)，認(rèn)為不同天線傳輸?shù)氖莵碜圆煌a字(codeword)的數(shù)據(jù)。以最簡單的2*2的空分復(fù)用系統(tǒng)為例，先來看下不同信道條件下接收機(jī)接收到的信號分別是什么。文中會有一些簡答的公式推導(dǎo)，限于篇幅我們會略去詳細(xì)的參數(shù)說明。
[ 圖12 ]
圖12中2*2 空分復(fù)用系統(tǒng)的接收信號y可以由下列公式來表示，
y=H*x+n可以展開為
[ 表1 ]
● 當(dāng)收發(fā)天線之間的信道為對角陣H1的時(shí)候，MIMO收發(fā)系統(tǒng)可簡化為圖13。盡管這種情況在實(shí)際無線系統(tǒng)中不會出現(xiàn)，但我們可以把它想象為兩條直通的有線鏈路。接收機(jī)可以直接通過y1和y2對發(fā)射信號x1和x2進(jìn)行復(fù)原。
[ 圖13 ]
● 當(dāng)收發(fā)天線之間的信道為H2的時(shí)，由于H2的兩行系數(shù)完全一樣。說明從發(fā)射天線TX1，TX2到RX1與TX1，TX2到RX2的信道是完全相同的。即便接收機(jī)可以精確地估計(jì)H2的信息也無法通過y1和y2對發(fā)射信號x1和x2進(jìn)行復(fù)原。此時(shí)信道矩陣H2的秩為1，rank(H)=1。在這種情況下盡管發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都有兩個(gè)天線，但由于信道不具有獨(dú)立性，也無法進(jìn)行多路信號的解調(diào)。
● 當(dāng)收發(fā)天線之間的信道為對角陣H3的時(shí)，我們可以通過簡單的方程計(jì)算從y1和y2求出發(fā)射信號x1和x2。我們將H3稍做變型為
可以相應(yīng)計(jì)算出y1和y2如表2。同樣，經(jīng)過簡單的方程計(jì)算可以對發(fā)射信號x1和x2進(jìn)行復(fù)原。在信道H'3中，我們可以看到從TX1發(fā)射的信號x1在TX1 -> RX1這條鏈路上經(jīng)過了比H3信道中更深的衰落(h11=0.1)。 但由于TX1 -> RX2這條鏈路上的信道條件較好(h21=0.9)，因此仍可以在接機(jī)對x1進(jìn)行解調(diào)和復(fù)原。這就是我們經(jīng)常講到的MIMO系統(tǒng)可以更好地對抗由多徑引起的快衰。一條鏈路陷入deep fading 不要緊，相同的信號還有在多條其他的鏈路上傳輸。大家集體陷入deep fading的概率是相對較小的。
[ 表2 ]
● 再來看信道H1，盡管H1看起來是比較理想的一種信道，但x1與x2依舊經(jīng)過了完全平行的兩條管道進(jìn)行傳輸。x1與x2仍然只經(jīng)歷了單一鏈路的衰落，如果h11或者h(yuǎn)22陷入深度衰落，接收機(jī)則無法對原始信號進(jìn)行復(fù)原。在空間復(fù)用系統(tǒng)中，H矩陣的非對角線元素(off-diagonal)為系統(tǒng)提供了的空間多樣性從而達(dá)到提升系統(tǒng)吞吐的目的。
MIMO技術(shù)介紹——空間分集(Spatial Diversity)
采用空間分集技術(shù)的多天線系統(tǒng)利用多個(gè)天線帶來進(jìn)行相同信號的收/發(fā)，對抗由多徑衰落引起的。與空分復(fù)用技術(shù)不同，空間分集技術(shù)中，不同天線發(fā)射或者接收的是相同信號的或者同一個(gè)信號的變化版本。空間分集技術(shù)的一個(gè)著名的應(yīng)用是Alamouti時(shí)空編碼。Alamouti編碼在時(shí)間和空間兩個(gè)維度來對發(fā)射信號進(jìn)行聯(lián)合編碼，從而形成時(shí)空碼塊(block)。
[ 圖14 ] 2*1 Alamouti 時(shí)空編碼示意圖
從圖14中我們可以看到符號x0以及-x*0分別在兩個(gè)符號時(shí)刻通過TX1和TX2發(fā)射。當(dāng)空間信道h1與h2的統(tǒng)計(jì)特性獨(dú)立不相關(guān)。h1與h2同時(shí)處于深衰落(deep fading)的可能性遠(yuǎn)小于h1或者h(yuǎn)2處于深衰落的可能性。因此在這樣一個(gè)分集系統(tǒng)中x0，x1被成功解碼的概率也會大于SISO系統(tǒng)。
下面讓我們來了解下Alamouti之被稱為最出名的MIMO技術(shù)之一的精妙之處。B表示時(shí)空碼塊，
上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置(Hermitian)，那么
是不是很美很妙啊。B與其共軛轉(zhuǎn)置矩陣相乘后得到一個(gè)對角矩陣。熟悉矩陣運(yùn)算的同學(xué)們應(yīng)該都能體會到，對角矩陣是一個(gè)多么讓人喜愛的存在。接收端的Alamouti解碼器利用時(shí)空碼塊的上述特性信號進(jìn)行解碼?？梢缘玫綀D15中的等效鏈路。
[ 圖15 ]
2*1 Alamouti方案將兩發(fā)一收的無線系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)SISO信道，且每個(gè)SISO的信道增益包含了空間多樣性
可以有效對抗衰落，提高系統(tǒng)傳輸可靠性。下篇文章中我們來進(jìn)一步了解下NR 中 Massive MIMO 系統(tǒng)的信道測量、預(yù)編碼與反饋以及MTRX對Massive MIMO 測試的支持。
參考文獻(xiàn)：
[1] AMS :: Feature Column from the AMS
[2] 3GPP TS 36.876 Study on elevation beamforming / Full-Dimension (FD) Multiple Input Multiple Output (MIMO) for LTE
[3] E6464A Multi Transceiver RF Test Set | Keysight
[4] E6416A Multi Transceiver RF Test Set | Keysight
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