MIMO技术及其高效开发平台

基于多天线的多输入多输出(MIMO)通信最初于1990年代中期进入人们的视线。当时，贝尔实验室和斯坦福大学的研究人员在寻找在不增加带宽的条件下增加系统吞吐量的方法。此后的10年间，关于MIMO技术，就其物理层(PHY)和网络层沿革演绎等话题陆续发表了几千篇论文。期间，MIMO逐步走进商用无线系统，其普及程度眼下已达到这样一个规模：所用高吞吐量的商用标准(如：WiMax、 Wi-Fi和蜂窝等)都把MIMO作为其一部分(即便不是强制也是选项)。而军用无线通信系统对MIMO的采用在一定程度上落后于商用领域。目前，由美国 DoD网络信息中心资助的纯粹以MIMO为核心的项目是国防高级研究计划属(DARPA)移动网络MIMO(MNM)计划。该计划是为期数年、经费数百万美元的一项工作，它旨在从如下方面提升MIMO技术的潜能：(a)在都市峡谷地带提供可靠通信；(b)显著拓展传统单天线无线系统的覆盖距离；(c)改善各独立链路的可靠性；(d)与目前基于SISO(单输入单输出)的射频比，力争把移动自组织网络(MANET)的吞吐率最少提升10倍以上。郎讯科技是该计划第一阶段执行人，而Silvus Technologies被选为该计划第二和第三阶段执行人。

本文阐述了MIMO技术及其不同的变种技术，对其在军事战术通信领域内的应用优势进行了量化，并重点讨论高效MIMO开发/评估平台必须提供的关键能力。

MIMO介绍

由贝尔实验室Telatar、Foschini和Gans等人开创的先驱性工作展现出采用MIMO的无线通信系统在无需任何额外带宽的前提下，可将系统性能提升最少一个数量级。

一个MIMO无线系统包含N个发射天线和M个接收天线。但与单信息流(称为x(t))在全部发射器上进行发射并由接收天线进行接收的相阵系统不同，MIMO系统用不同天线发射称为x(t)、y(t)、z(t)等的不同信息流。它们是在相同频段被同时发射的独立信息流。这些信号并不会相互干扰，到达各接收天线的接收信号实际上是发射的N个不同信号的线性叠加。

图1是具有三个发射和接收天线的MIMO系统。三个接收天线分别接收到的信号r1(t)、r2(t)和r3(t)是x(t)、y(t)和z(t)的线性组合。系数{aij}表示相对于每个发射-接收天线对的衰减的信道权重，这样得到一个具有三个方程和三个未知量的系统，如下式所示。

一般来说，为使MIMO系统发挥其潜能，信道系数{aij} 的矩阵A必须是可逆的。随着发生器和接收器附近路径和反射数量的增多，需要A被逆转的可能性也在增加。在空间独立的瑞利(Rayleigh)衰落环境下，其影响是：实质上可获得的NM水平具有多样性，并且可以建立min(N，M)个独立并行信道。多样性增加将导致显著降低相同性能水平所需的总体发射功率。另一方面，并行信道数的增加等同于在相同带宽内增加了可获得的数据速率。

我们现在对工作在典型瑞利衰落无线信道下基于MIMO的系统的好处进行量化。图2对可达到95%能力(所遇到的无线信道中，95%所能达到的最小能力；或换句话，对一个给定信道来说，其能力有95%的可能比图中所示的能力强)的单天线系统(黄点)与相阵多天线系统(蓝曲线)及MIMO系统(红曲线)进行了比较。如图所示，相阵系统的能力随天线尺度的增加呈对数方式增长，而MIMO系统呈线性增长。对四天线系统来说，相阵系统提供8bps/Hz的容量，而MIMO系统可达19bps/Hz。值得关注的是，在相阵系统中，必须对相阵系数进行计算以使波速指向“最佳方向”。当环境中有散射元素时，这样做很困难。MIMO系统就不受该问题的困扰，因解码MIMO信号时，环境的几何因素和其它反射源的位置业已被自动计算在内。

现以不同视角考虑MIMO系统的好处。假定需要一个固定的容量，如1bps/Hz，并问如下一个问题，“为获得1bps/Hz的95%的容量，总共需多大发射功率？”结果在表1中所示。如表中所示，随着MIMO系统中天线数的增加，获得同样数据吞吐率所需的接收功率越来越小。因此，若传统单天线系统需1W发射功率才能获得一定吞吐率，则一个8 × 8 MIMO系统只需6mW功率就可获得相同性能。

多种MIMO模式

空间复用MIMO系统的出现已吸引了众多人的关注。空间复用MIMO方法已被建议用来解决任何/所有无线通信问题。实际上，有四种独立的多天线MIMO技术可供系统设计师选择。

· 空间复用(SM-MIMO)。在无线信道的本征模式(eigen-mode)，多个天线被用来创立空间上独立的链接。空间复用系统通过在不同发射天线上发射不同数据来提升吞吐率，这样就可在不增加带宽的前提下，显著提升吞吐率。空间复用系统的缺点是在接收器侧需高度复杂的矩阵转换操作，而且当系统进入“全复用”(空间流数等于发射天线数，也就等于接收天线数)模式时，对信道损害更敏感。

· 空-时编码(STC-MIMO)。空间-时间编码系统通过在分别定义为时间、频率和空间的三坐标信令系统外增加冗余的方法来获得编码增益。它们还可用于提供发射多样性增益。与空间复用系统比，STC-MIMO系统在提高通信鲁棒性时并不显著增加吞吐率增益。此外，STC-MIMO很适合发射器也许使用多于接收器天线的非对称条件。

· 分集系统(DIV-MIMO)。分集是多天线处理的传统形态，它在发射器和接收器间创建独立信道，并在全部独立信道上发射相同信号并将接收到的信号以最优化的方式组合起来，能应对快速衰减的影响。

· 智能天线(SA-MIMO)系统。它是一种可在特定指向上自动适应波束或波束零点(beam-null)的自适应相阵天线系统。

MIMO在军事通信领域的应用

MIMO技术的实在好处并非仅是简单地提升吞吐率或可靠性，而是当恰到好处地与射频的其它因素结合起来时，MIMO可实现真正具有丰富模式的射频——而这正是适合于高楼林立的都市以及森林地带所具有的非视域(NLOS)环境的理想射频技术。这种能力使支持MIMO的系统展示出超越以往单天线射频的弹性并能更好地满足战斗人员和操作环境的需要。

用于军事通信的例子：

· 对通信中心讲(即：地面指挥所、舰对岸或舰对舰通信)，在高吞吐率模式可以高于100Mbps的速率传输数据。

· 在非NLOS环境，射频可利用一种物理模式(如把数据速率降低为10Mbps)以换取更高的服务质量(QoS)。在城市环境中在不同街道行进的一队坦克可继续进行交叉通信。

· 在利用干扰装置力图施扰通信的环境下，一个通过多个信道发送冗余数据的模式可确保接收机接收到未被干扰的数据。完整性和一致性可拯救生命并有助于使命的完成。

· 在移动环境(即：在开阔地带行驶的坦克或军车、搜索目标区域的无人驾驶侦察机)，可采用另一个模式在快速移动的目标间实现高速数据通信。

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· 对隐蔽应用，一些方案可借助丰富的MIMO模式，如采用超低发射功率模式、以降低的数据速率发射数据来消隐电气痕迹。

· 对实时视频监视应用(即：边界或周边监控、实时战场监控)言，可采用高吞吐率、高QoS模式。

· 对网状网来说，一些方案借助了所有反射的好处(即：信号会在数百辆装甲车辆间发生反射和折射)来提升性能，与此相比，目前的单天线系统在苛刻、强干扰环境下无法正常工作。

MIMO的现场验证

目前，供应商必须提供包含了天线、RF收发器、基于数据包的基带处理引擎，以及鲁棒和直观的API的完整射频模块(图3)。Silvus Technologies公司的SC2000等方案是网络应用的理想选择，因为任何媒介接入控制(MAC)协议都可对该射频单元进行操控。用户(或用户程序)可以基于单个数据包指定射频参数。借助300种以上的可选工作模式，这些平台使用户能够对单一数据包进行设置。

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可通过对10个不同参数(每个参数值都具有可选范围)的操控来实现这些丰富的模式。表2总结了这10个参数及各自的取值范围。

这个平台采用两个FPGA(分别用于MAC和PHY)以及一个PowerPC处理器，可通过USB 2.0或以太网接口该平台。该平台在一个FPGA内嵌入了4×4 PHY，最多可连接四个射频板。这些方案具有更高的性能和成本效益，以及开发基于MIMO系统时的整体效率。一个完整的FPGA快速原型生成系统支持半实物(hardware-in-the-loop)协同仿真和实时处理。另外，它通过如下两条途径缩短了开发时间：1，快速概念验证；2，把基于MIMO的PHY/MAC整合进用户的具体应用实现。

该工具带的基线设计是兼容802.11n的PHY+MAC，但该基线设计可扩展至包括消弭干扰协议以及可变带宽能力。另外，还可用该平台实现基于FPGA的视频编解码器以使能无线视频流布应用。因可在一个经验框架下用该评估板确认给定环境下的最优模式，所以还可在设计中利用该工具以配置终端系统。举个例子，我们考虑用户想要确认给定环境下的最佳发射模式这样一种情况。该评估板为用户提供了完全配置能力、还允许他/她容易地遍历几百个参数配置以为手边的具体应用确认最佳的链接参数集。

该评估平台可用于验证IP并把该IP与客户整体方案内的其它元素进行对接。当研究人员拥有这样一个平台时，该平台成为借助先进MAC和网络协议进行验证和实