【導(dǎo)讀】MIMO 是multi-input multi-out put 系統(tǒng)的縮寫(xiě)，從字面上來(lái)看任何具有多個(gè)發(fā)射和多個(gè)接收天線的無(wú)線系統(tǒng)都可以稱(chēng)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(xiě)，從字面上來(lái)看任何具有多個(gè)發(fā)射和多個(gè)接收天線的無(wú)線系統(tǒng)都可以稱(chēng)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(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者打開(kāi)了一個(gè)新的維度--空間自由度。信號(hào)在多對(duì)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(kāi)始多天線技術(shù)已經(jīng)在蜂窩及短距離通信等各種無(wú)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(duì)應(yīng)不同類(lèi)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(hù)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?。▓D2）。
[ 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(cè)量信息對(duì)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(guò)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(hào)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(duì)多天線無(wú)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(lái)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(duì)信道進(jìn)行了刻畫(huà)。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(wú)線信號(hào)經(jīng)過(guò)信道中不同反射簇(cluster)到達(dá)每個(gè)天線單元的信號(hào)具有不同的空間特性（到達(dá)角度，離開(kāi)角度，角度擴(kuò)展等）。對(duì)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(píng)估的重要因素。
[ 圖3 ]
相信大家已經(jīng)對(duì)NR的MIMO技術(shù)有過(guò)一些了解，這里我們想用幾篇文章來(lái)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(lái)速率的提升？
MIMO技術(shù)都有哪幾類(lèi)，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(cè)試？
MIMO分類(lèi)與測(cè)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(wú)法了解。下面是幾種經(jīng)常見(jiàn)到的MIMO分類(lèi)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(guò)在不同天線上傳輸不同的數(shù)據(jù)流來(lái)提高系統(tǒng)的吞吐；后者通過(guò)利用多根天線帶來(lái)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(lái)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(huì)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(hù)數(shù)目可以分為單用戶(hù)MIMO(SU-MIMO)和多用戶(hù)MIMO(MU-MIMO)。
單用戶(hù)模式下通過(guò)對(duì)該用戶(hù)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(hù)會(huì)更容易被調(diào)度為SU-MIMO來(lái)提高小區(qū)的峰值吞吐。在多用戶(hù)模式下，MIMO技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)在于利用多個(gè)用戶(hù)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(hù)體驗(yàn)的同時(shí)減少用戶(hù)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(chēng)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(hào)需要進(jìn)行傳輸?shù)姆较?。我們?lái)看一個(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(méi)有對(duì)準(zhǔn)圖中終端的位置，終端幾乎接收不到來(lái)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(duì)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(guò)調(diào)節(jié)天線陣列中不同天線單元間信號(hào)相位和幅度使得天線的方向具有指向性?；鶐У念A(yù)編碼處理相對(duì)模擬波束賦形理解起來(lái)要抽象很多，我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)了解下。
● 
在多天線系統(tǒng)中，m為發(fā)射信號(hào)向量，H為信道矩陣。信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后，能量及方向都會(huì)發(fā)生變化。變化的趨勢(shì)由H信道的特性決定[1]。無(wú)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(guò)疊加預(yù)編碼矩陣w對(duì)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(hù)場(chǎng)景下最小化多用戶(hù)之間的干擾。預(yù)編碼技術(shù)對(duì)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(duì)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(guò)對(duì)32個(gè)天線端口的CSI-RS進(jìn)行測(cè)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(guò)virtualization matrix 映射到不同的物理天線，每一個(gè)物理天線會(huì)同時(shí)對(duì)來(lái)自多個(gè)TXRU的信號(hào)進(jìn)行傳輸（圖9）。這種模式下CSI-RS 天線端口與TXRU通過(guò)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(guò)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(guò)CRI上報(bào)來(lái)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(lái)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(kāi)銷(xiāo)，終端反饋開(kāi)銷(xiāo)。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(duì)終端測(cè)量上報(bào)能力的要求遠(yuǎn)低于模式一。
[ 圖9 ]
[ 圖10 ]
● MIMO 測(cè)試挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)
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(duì)massive MIMO 產(chǎn)品進(jìn)行射頻指標(biāo)、信號(hào)質(zhì)量測(cè)試以及beamforming能力測(cè)試時(shí)，測(cè)試設(shè)備需要提供足夠的射頻端口來(lái)保證多端口測(cè)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(cè)試指標(biāo)以滿(mǎn)足NR信道的帶寬以及EVM需求。傳統(tǒng)的射頻測(cè)試儀表多針對(duì)單通道測(cè)試，端口數(shù)極度受限。用傳統(tǒng)儀表進(jìn)行MIMO、Massive MIMO測(cè)試往往需要使用合路器，開(kāi)關(guān)矩陣以及移相器來(lái)完成。測(cè)試環(huán)境搭建復(fù)雜且無(wú)法保證不同射頻通道之間的相位相參(Phase coherence)，從而無(wú)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(cè)試儀 (MTRX) [3][4]。 MTRX是一種可擴(kuò)展的射頻測(cè)平臺(tái)。一臺(tái)E6464A/E6416A可以提供最多64/16個(gè)矢量信號(hào)分析儀 (VSA)和64/16個(gè)矢量信號(hào)發(fā)生器 (VSG)。MTRX內(nèi)置數(shù)字預(yù)編碼和massive MIMO信號(hào)加權(quán)矩陣功能，同時(shí)支持直通連接選項(xiàng)，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備進(jìn)行端到端波束賦形測(cè)試。MTRX中的矢量信號(hào)分析還可以通過(guò)Keysight Pathwave軟件，WaveJudege軟件完成或者保存為開(kāi)放的IQ文件。圖11展示了以MTRX硬件為核心的5G Massive MIMO測(cè)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(lái)進(jìn)行不同信號(hào)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?lái)自不同碼字(codeword)的數(shù)據(jù)。以最簡(jiǎn)單的2*2的空分復(fù)用系統(tǒng)為例，先來(lái)看下不同信道條件下接收機(jī)接收到的信號(hào)分別是什么。文中會(huì)有一些簡(jiǎn)答的公式推導(dǎo)，限于篇幅我們會(huì)略去詳細(xì)的參數(shù)說(shuō)明。
[ 圖12 ]
圖12中2*2 空分復(fù)用系統(tǒng)的接收信號(hào)y可以由下列公式來(lái)表示，
y=H*x+n可以展開(kāi)為
[ 表1 ]
● 當(dāng)收發(fā)天線之間的信道為對(duì)角陣H1的時(shí)候，MIMO收發(fā)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為圖13。盡管這種情況在實(shí)際無(wú)線系統(tǒng)中不會(huì)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(guò)y1和y2對(duì)發(fā)射信號(hào)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(shuō)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(wú)法通過(guò)y1和y2對(duì)發(fā)射信號(hào)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(wú)法進(jìn)行多路信號(hào)的解調(diào)。
● 當(dāng)收發(fā)天線之間的信道為對(duì)角陣H3的時(shí)，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的方程計(jì)算從y1和y2求出發(fā)射信號(hào)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(guò)簡(jiǎn)單的方程計(jì)算可以對(duì)發(fā)射信號(hào)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(hào)x1在TX1 -> RX1這條鏈路上經(jīng)過(guò)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)較小的。
[ 表2 ]
● 再來(lái)看信道H1，盡管H1看起來(lái)是比較理想的一種信道，但x1與x2依舊經(jīng)過(guò)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(wú)法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行復(fù)原。在空間復(fù)用系統(tǒng)中，H矩陣的非對(duì)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(lái)進(jìn)行相同信號(hào)的收/發(fā)，對(duì)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(hào)的或者同一個(gè)信號(hào)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(lái)對(duì)發(fā)射信號(hào)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(hào)x0以及-x*0分別在兩個(gè)符號(hào)時(shí)刻通過(guò)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(huì)大于SISO系統(tǒng)。
下面讓我們來(lái)了解下Alamouti之被稱(chēng)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(duì)角矩陣。熟悉矩陣運(yùn)算的同學(xué)們應(yīng)該都能體會(huì)到，對(duì)角矩陣是一個(gè)多么讓人喜愛(ài)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(hào)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(wú)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(duì)抗衰落，提高系統(tǒng)傳輸可靠性。下篇文章中我們來(lái)進(jìn)一步了解下NR 中 Massive MIMO 系統(tǒng)的信道測(cè)量、預(yù)編碼與反饋以及MTRX對(duì)Massive MIMO 測(cè)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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