【導讀】MIMO 是multi-input multi-out put 係統的縮寫
，從字麵上來看任何具有多個發射和多個接收天線的無線係統都可以稱為MIMO。除了MIMO之外
，還有single-input multiple-output (SIMO)，multiple-input single-output (MISO) 這些隻在發射端或接收端有多個天線的準多天線係統。

MIMO概述

MIMO 是multi-input multi-out put 係統的縮寫
，從字麵上來看任何具有多個發射和多個接收天線的無線係統都可以稱為MIMO。除了MIMO之外
，還有single-input multiple-output (SIMO)，multiple-input single-output (MISO) 這些隻在發射端或接收端有多個天線的準多天線係統。相信大家都理解時分複用、頻率複用和碼分複用的概念，MIMO與傳統的單天線係統相比多個發射和接收天線為無線係統的設計者打開了一個新的維度--空kong間jian自zi由you度du。信xin號hao在zai多duo對dui收shou發fa天tian線xian間jian經jing曆li不bu同tong的de信xin道dao衰shuai落luo
，如ru果guo這zhe些xie衰shuai落luo的de統tong計ji特te性xing互hu相xiang獨du立li，就jiu相xiang當dang於yu在zai通tong信xin係xi統tong中zhong引yin入ru了le多duo個ge傳chuan輸shu通tong道dao。這zhe和he增zeng加jia係xi統tong傳chuan輸shu帶dai寬kuan幾ji乎hu可ke以yi達da到dao同tong樣yang的de效xiao果guo。上shang世shi紀ji90年代貝爾實驗室一篇介紹 ‘MIMO V-BLAST’技術的論文引發了學術界MIMO技術研究的熱潮
，20多年後MIMO以及大規模MIMO(Massive MIMO)仍是一個活躍的研究領域。

從3G時代開始多天線技術已經在蜂窩及短距離通信等各種無線通信標準中得到廣泛應用。LTE和 LTE -Advanced定義了TM1 – TM9九種傳輸模式 (Transport Mode) 。其中TM2 – TM9對應不同類型的多天線技術，最多支持8天線8流數據傳輸。Release 13中增加了full dimension (FD)-MIMO，CSI-RS 端口數從8增加到16並引入了垂直方向的波束賦形。實際網絡中基站和不同終端用戶的天線往往處於 不同的高度 ，圖1 列出了幾種3GPP TS38.901biaozhunzhongjizhanhezhongduandeweizhiguanxi。chuizhifangxiangdeboshufuxingkeyishiboxingjuyougengqiangdefangxiangxing
，chuizhifangxiangshangdeboshufenlishijizhankeyitongshifuwuduogezhongduanqiebaozhengzhongduanzhijiandeganraoweizuixiao（圖2）。

[ 圖1 ]

FD-MIMO下最多32個交叉極化天線排成陣列，基站根據終端上報的測量信息對數據進行波預編碼/ 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 端口經過波束賦形在同一個物理天線上傳輸。FD-MIMO是NR大規模天線技術 (Massive MIMO) 的雛形。NR標準將CSI-RS天線端口擴大至32個
，目前主流的設備商都推出了64T64R的基站產品。更多的CSI-RS端口以及天線數量使基站發出的信號具有更強的方向性
，信道狀態信息的反饋具有更小的顆粒度。在FD-MIMO以及Massive MIMOjishuzhong
，yinweicunzaishuipinghechuizhilianggefangxiangboshufuxingdekeneng，duiduotianxianwuxianxindaojinxingjianmoshixuyaokaolvdaosanweikongjianzhongdewutidailaidegezhongzheshe
，fanshe，sanshedengyingxiang（圖2）。 

[ 圖2 ]

傳統的2D 信道建模（時延，衰落功率）如圖3種zhong右you側ce所suo示shi從cong時shi間jian和he功gong率lv兩liang個ge維wei度du的de對dui信xin道dao進jin行xing了le刻ke畫hua。在zai大da規gui模mo天tian線xian係xi統tong中zhong不bu同tong天tian線xian單dan元yuan具ju有you不bu同tong的de空kong間jian位wei置zhi和he極ji化hua方fang向xiang，無wu線xian信xin號hao經jing過guo信xin道dao中zhong不bu同tong反fan射she簇cu(cluster)到達每個天線單元的信號具有不同的空間特性（到達角度
，離開角度，角度擴展等）。對多天線係統而言除了信道的時域
、頻率選擇性之外，信道的空間特性也成為係統設計和性能評估的重要因素。

[ 圖3 ]

相信大家已經對NR的MIMO技術有過一些了解，這裏我們想用幾篇文章來和大家一起探究MIMO技術的本質，是不是在任何信道條件下多天線係統都可以帶來速率的提升？

MIMO技術都有哪幾類
，區別是什麼？

波束賦型和預編碼有什麼相同和不同的地方？

是德科技有哪些產品和方案可以進行NR MIMO及Massive MIMO的測試？

MIMO分類與測試挑戰

圖4是一個具有M個發射和N個接收天線單元的MIMO係統的框圖。圖中隻看到了發射和接收天線的數目，基帶處理單元數量、發射和接收天線陣列的排布以及不同天線發送的數據流之間的關係都無法了解。下麵是幾種經常見到的MIMO分類方式。

[ 圖4 ]

● 按照天線的空間分配可以分為

空分複用(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據流來提高係統的吞吐；後者通過利用多根天線帶來的信道多樣性，在不增加發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典型應用。

henduowenzhangzhongjiangboshufuxingyukongjianfuyonghekongjianfenjibinglie。danqianzheshiliyongtianxianzhenyuanzhijiandeqiangxiangguanxinggenjulaibojiaoduzishiyingtiaozhengxindaofangxiangtu
，jianshaoganraodadaotigaojieshouxinzaobidemude。erkongfenfuyong/分集需要多天線間信道獨立不相關。本文中我們會把波束賦形與預編碼作為改變信道方向/能量的技術放在一起討論。

● 按照服務用戶數目可以分為單用戶MIMO(SU-MIMO)和多用戶MIMO(MU-MIMO)。

單用戶模式下通過對該用戶進行多流數據傳輸以最大化其吞吐率。在實際網絡中，接收信噪比較好的用戶會更容易被調度為SU-MIMO來提高小區的峰值吞吐。在多用戶模式下
，MIMO技術的側重點在於利用多個用戶的信道信息構建預編碼矩陣/波束賦形因子在保證單個用戶體驗的同時減少用戶間幹擾。MU-MIMO在實際網絡中多用於提高小區邊緣的吞吐和覆蓋。

● 按照數據流到天線端口，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字波束賦形(digital beamforming)。

盡jin管guan預yu編bian碼ma和he波bo束shu賦fu型xing是shi分fen別bie在zai數shu字zi域yu和he模mo擬ni域yu的de操cao作zuo，但dan兩liang種zhong技ji術shu的de本ben質zhi都dou是shi試shi圖tu改gai變bian信xin道dao的de指zhi向xiang
，使shi能neng量liang聚ju集ji到dao信xin號hao需xu要yao進jin行xing傳chuan輸shu的de方fang向xiang。我wo們men來lai看kan一yi個ge例li子zi。如ru果guo把ba物wu理li天tian線xian看kan作zuo是shi手shou電dian筒tong
，圖tu5左(zuo)側(ce)的(de)兩(liang)個(ge)手(shou)電(dian)筒(tong)同(tong)時(shi)並(bing)行(xing)照(zhao)向(xiang)一(yi)個(ge)終(zhong)端(duan)。由(you)於(yu)下(xia)方(fang)的(de)手(shou)電(dian)筒(tong)沒(mei)有(you)對(dui)準(zhun)圖(tu)中(zhong)終(zhong)端(duan)的(de)位(wei)置(zhi)，終(zhong)端(duan)幾(ji)乎(hu)接(jie)收(shou)不(bu)到(dao)來(lai)自(zi)下(xia)方(fang)手(shou)電(dian)筒(tong)的(de)能(neng)量(liang)。改(gai)變(bian)下(xia)方(fang)手(shou)電(dian)筒(tong)的(de)方(fang)向(xiang)，使(shi)下(xia)方(fang)手(shou)電(dian)筒(tong)射(she)出(chu)的(de)光(guang)更(geng)好(hao)地(di)指(zhi)向(xiang)終(zhong)端(duan)。終(zhong)端(duan)就(jiu)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)更(geng)多(duo)的(de)能(neng)量(liang)。

[ 圖5 ]

在MIMO係(xi)統(tong)多(duo)個(ge)天(tian)線(xian)對(dui)之(zhi)間(jian)空(kong)間(jian)信(xin)道(dao)也(ye)是(shi)有(you)方(fang)向(xiang)和(he)能(neng)量(liang)的(de)。模(mo)擬(ni)域(yu)的(de)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)通(tong)過(guo)調(tiao)節(jie)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)中(zhong)不(bu)同(tong)天(tian)線(xian)單(dan)元(yuan)間(jian)信(xin)號(hao)相(xiang)位(wei)和(he)幅(fu)度(du)使(shi)得(de)天(tian)線(xian)的(de)方(fang)向(xiang)具(ju)有(you)指(zhi)向(xiang)性(xing)。基(ji)帶(dai)的(de)預(yu)編(bian)碼(ma)處(chu)理(li)相(xiang)對(dui)模(mo)擬(ni)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)理(li)解(jie)起(qi)來(lai)要(yao)抽(chou)象(xiang)很(hen)多(duo)，我(wo)們(men)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)來(lai)了(le)解(jie)下(xia)。

●

在多天線係統中，m為發射信號向量

，H為信道矩陣。信號經過信道後，能量及方向都會發生變化。變化的趨勢由H信道的特性決定[1]。無(wu)線(xian)信(xin)道(dao)是(shi)由(you)發(fa)射(she)機(ji)和(he)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)物(wu)理(li)屬(shu)性(xing)及(ji)所(suo)處(chu)環(huan)境(jing)決(jue)定(ding)的(de)特(te)性(xing)。預(yu)編(bian)碼(ma)是(shi)在(zai)充(chong)分(fen)了(le)解(jie)收(shou)發(fa)信(xin)機(ji)間(jian)空(kong)間(jian)信(xin)道(dao)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)
，通(tong)過(guo)疊(die)加(jia)預(yu)編(bian)碼(ma)矩(ju)陣(zhen)w對H進行修正，使得預編碼後的等效信道P=H*w可以最大化接收機的吞吐或者多用戶場景下最小化多用戶之間的幹擾。預編碼技術對MIMO係統的整體性能影響很大
，因此MIMO的碼本設計、信道信息反饋機製一直是標準化討論的一個熱點。

● NR Massive MIMO 中波束賦形以及CSI-RS傳輸機製基本沿用了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係。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組，每個TXRU都連接到其中一個組。CSI-RS 天線端口與TXRU一一對應，也成為Non-precoded CSI-RS
，該模式下一個CSI-RS資源集(resource set)中CSI-RS的個數一般大於8。圖7是Non-precoded CSI-RS 傳輸模式的示例，NR基站在一個CSI-RS resource set 中分配32個CSI-RS天線端口，終端通過對32個天線端口的CSI-RS進行測量並上報RI/PMI/CQI。

[ 圖6 ]

[ 圖7 ]

此模式下下圖8中的Port to TRUX矩陣退化為一個單元矩陣。

[ 圖8 ] 混合波束賦型發射機框圖

第二種為full connection 模式，在這一模式下每個TXRU經過virtualization matrix 映射到不同的物理天線，每一個物理天線會同時對來自多個TXRU的信號進行傳輸（圖9）。這種模式下CSI-RS 天線端口與TXRU通過一個矩陣進行映射，該模式也成為precoded CSI-RS。CSI-RS 天線端口經過Port-to-TRUX 以及 TRUX-antenna 映射形成多個波束。終端除了上報RI/PMI/CQI 之外，還需要通過CRI上報來指示一個或者幾個最強波束的beam index。由於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 天線端口數一般小於8
，對終端測量上報能力的要求遠低於模式一。

[ 圖9 ]

[ 圖10 ]

● MIMO 測試挑戰與應對

多天線係統的物理天線個數從LTE 的8、16、32增加到NR的64 甚至128。在對massive MIMO 產品進行射頻指標
、信號質量測試以及beamforming能neng力li測ce試shi時shi，測ce試shi設she備bei需xu要yao提ti供gong足zu夠gou的de射she頻pin端duan口kou來lai保bao證zheng多duo端duan口kou測ce試shi結jie果guo的de一yi致zhi性xing及ji可ke重zhong複fu性xing。同tong時shi還hai需xu要yao保bao證zheng多duo端duan口kou設she備bei具ju有you良liang好hao的de測ce試shi指zhi標biao以yi滿man足zuNR信道的帶寬以及EVM需求。傳統的射頻測試儀表多針對單通道測試
，端口數極度受限。用傳統儀表進行MIMO、Massive MIMO測試往往需要使用合路器，開關矩陣以及移相器來完成。測試環境搭建複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 多收發射頻測試儀 (MTRX) [3][4]。 MTRX是一種可擴展的射頻測平台。一台E6464A/E6416A可以提供最多64/16個矢量信號分析儀 (VSA)和64/16個矢量信號發生器 (VSG)。MTRX內置數字預編碼和massive MIMO信號加權矩陣功能，同時支持直通連接選項，可以對網絡和設備進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技術介紹——空分複用(spatial multiplexing)

空(kong)間(jian)複(fu)用(yong)指(zhi)的(de)是(shi)利(li)用(yong)多(duo)天(tian)線(xian)係(xi)統(tong)的(de)多(duo)個(ge)發(fa)射(she)天(tian)線(xian)帶(dai)來(lai)進(jin)行(xing)不(bu)同(tong)信(xin)號(hao)的(de)發(fa)送(song)。這(zhe)裏(li)我(wo)們(men)先(xian)不(bu)考(kao)慮(lv)預(yu)編(bian)碼(ma)以(yi)及(ji)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)技(ji)術(shu)


，認(ren)為(wei)不(bu)同(tong)天(tian)線(xian)傳(chuan)輸(shu)的(de)是(shi)來(lai)自(zi)不(bu)同(tong)碼(ma)字(zi)(codeword)的數據。以最簡單的2*2的de空kong分fen複fu用yong係xi統tong為wei例li，先xian來lai看kan下xia不bu同tong信xin道dao條tiao件jian下xia接jie收shou機ji接jie收shou到dao的de信xin號hao分fen別bie是shi什shen麼me。文wen中zhong會hui有you一yi些xie簡jian答da的de公gong式shi推tui導dao，限xian於yu篇pian幅fu我wo們men會hui略lve去qu詳xiang細xi的de參can數shu說shuo明ming。

[ 圖12 ]

圖12中2*2 空分複用係統的接收信號y可以由下列公式來表示，

y=H*x+n可以展開為

[ 表1 ]

● 當收發天線之間的信道為對角陣H₁的時候，MIMO收發係統可簡化為圖13。盡管這種情況在實際無線係統中不會出現
，但我們可以把它想象為兩條直通的有線鏈路。接收機可以直接通過y₁和y₂對發射信號x₁和x₂進行複原。

[ 圖13 ]

● 當收發天線之間的信道為H₂的時，由於H₂的兩行係數完全一樣。說明從發射天線TX1
，TX2到RX1與TX1
，TX2到RX2的信道是完全相同的。即便接收機可以精確地估計H₂的信息也無法通過y₁和y₂對發射信號x₁和x₂進行複原。此時信道矩陣H₂的秩為1，rank(H)=1。在這種情況下盡管發射機和接收機都有兩個天線
，但由於信道不具有獨立性
，也無法進行多路信號的解調。

● 當收發天線之間的信道為對角陣H₃的時
，我們可以通過簡單的方程計算從y₁和y₂求出發射信號x₁和x₂。我們將H₃稍做變型為

可以相應計算出y₁和y₂如表2。同樣，經過簡單的方程計算可以對發射信號x₁和x₂進行複原。在信道H'₃中，我們可以看到從TX1發射的信號x₁在TX1 -> RX1這條鏈路上經過了比H₃信道中更深的衰落(h₁₁=0.1)。 但由於TX1 -> RX2這條鏈路上的信道條件較好(h₂₁=0.9)，因此仍可以在接機對x₁進行解調和複原。這就是我們經常講到的MIMO係統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依舊經過了完全平行的兩條管道進行傳輸。x₁與x₂仍然隻經曆了單一鏈路的衰落
，如果h₁₁或者h₂₂陷入深度衰落，接收機則無法對原始信號進行複原。在空間複用係統中，H矩陣的非對角線元素(off-diagonal)為係統提供了的空間多樣性從而達到提升係統吞吐的目的。

MIMO技術介紹——空間分集(Spatial Diversity)

采用空間分集技術的多天線係統利用多個天線帶來進行相同信號的收/fa

，duikangyouduojingshuailuoyinqide。yukongfenfuyongjishubutong，kongjianfenjijishuzhong，butongtianxianfashehuozhejieshoudeshixiangtongxinhaodehuozhetongyigexinhaodebianhuabanben。kongjianfenjijishudeyigezhumingdeyingyongshiAlamouti時空編碼。Alamouti編碼在時間和空間兩個維度來對發射信號進行聯合編碼，從而形成時空碼塊(block)。

[ 圖14 ] 2*1 Alamouti 時空編碼示意圖

從圖14中我們可以看到符號x₀以及-x*₀分別在兩個符號時刻通過TX1和TX2發射。當空間信道h₁與h₂的統計特性獨立不相關。h₁與h₂同時處於深衰落(deep fading)的可能性遠小於h₁或者h₂處於深衰落的可能性。因此在這樣一個分集係統中x₀，x₁被成功解碼的概率也會大於SISO係統。

下麵讓我們來了解下Alamouti之被稱為最出名的MIMO技術之一的精妙之處。B表示時空碼塊

，

上標H表示共軛轉置(Hermitian)，那麼

是不是很美很妙啊。B與其共軛轉置矩陣相乘後得到一個對角矩陣。熟悉矩陣運算的同學們應該都能體會到，對角矩陣是一個多麼讓人喜愛的存在。接收端的Alamouti解碼器利用時空碼塊的上述特性信號進行解碼。可以得到圖15中的等效鏈路。

[ 圖15 ]

2*1 Alamouti方案將兩發一收的無線係統轉化為兩個SISO信道，且每個SISO的信道增益包含了空間多樣性

可以有效對抗衰落，提高係統傳輸可靠性。下篇文章中我們來進一步了解下NR 中 Massive MIMO 係統的信道測量、預編碼與反饋以及MTRX對Massive MIMO 測試的支持。

參考文獻：

[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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