本文闡述了MIMO技術(shù)及其不同的變種技術(shù)，對(duì)其在軍事戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了量化，并重點(diǎn)討論高效MIMO開(kāi)發(fā)/評(píng)估平臺(tái)必須提供的關(guān)鍵能力。

基于多天線的多輸入多輸出(MIMO)通信最初于1990年代中期進(jìn)入人們的視線。當(dāng)時(shí)，貝爾實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的研究人員在尋找在不增加帶寬的條件下增加系統(tǒng)吞吐量的方法。此后的10年間，關(guān)于MIMO技術(shù)，就其物理層(PHY)和網(wǎng)絡(luò)層沿革演繹等話題陸續(xù)發(fā)表了幾千篇論文。期間，MIMO逐步走進(jìn)商用無(wú)線系統(tǒng)，其普及程度眼下已達(dá)到這樣一個(gè)規(guī)模：所用高吞吐量的商用標(biāo)準(zhǔn)(如：WiMax、 Wi-Fi和蜂窩等)都把MIMO作為其一部分(即便不是強(qiáng)制也是選項(xiàng))。而軍用無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)MIMO的采用在一定程度上落后于商用領(lǐng)域。目前，由美國(guó) DoD網(wǎng)絡(luò)信息中心資助的純粹以MIMO為核心的項(xiàng)目是國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃屬(DARPA)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)MIMO(MNM)計(jì)劃。該計(jì)劃是為期數(shù)年、經(jīng)費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元的一項(xiàng)工作，它旨在從如下方面提升MIMO技術(shù)的潛能：(a)在都市峽谷地帶提供可靠通信；(b)顯著拓展傳統(tǒng)單天線無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋距離；(c)改善各獨(dú)立鏈路的可靠性；(d)與目前基于SISO(單輸入單輸出)的射頻比，力爭(zhēng)把移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)的吞吐率最少提升10倍以上。郎訊科技是該計(jì)劃第一階段執(zhí)行人，而Silvus Technologies被選為該計(jì)劃第二和第三階段執(zhí)行人。

本文闡述了MIMO技術(shù)及其不同的變種技術(shù)，對(duì)其在軍事戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了量化，并重點(diǎn)討論高效MIMO開(kāi)發(fā)/評(píng)估平臺(tái)必須提供的關(guān)鍵能力。

MIMO介紹

由貝爾實(shí)驗(yàn)室Telatar、Foschini和Gans等人開(kāi)創(chuàng)的先驅(qū)性工作展現(xiàn)出采用MIMO的無(wú)線通信系統(tǒng)在無(wú)需任何額外帶寬的前提下，可將系統(tǒng)性能提升最少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

一個(gè)MIMO無(wú)線系統(tǒng)包含N個(gè)發(fā)射天線和M個(gè)接收天線。但與單信息流(稱為x(t))在全部發(fā)射器上進(jìn)行發(fā)射并由接收天線進(jìn)行接收的相陣系統(tǒng)不同，MIMO系統(tǒng)用不同天線發(fā)射稱為x(t)、y(t)、z(t)等的不同信息流。它們是在相同頻段被同時(shí)發(fā)射的獨(dú)立信息流。這些信號(hào)并不會(huì)相互干擾，到達(dá)各接收天線的接收信號(hào)實(shí)際上是發(fā)射的N個(gè)不同信號(hào)的線性疊加。

圖1是具有三個(gè)發(fā)射和接收天線的MIMO系統(tǒng)。三個(gè)接收天線分別接收到的信號(hào)r1(t)、r2(t)和r3(t)是x(t)、y(t)和z(t)的線性組合。系數(shù){aij}表示相對(duì)于每個(gè)發(fā)射-接收天線對(duì)的衰減的信道權(quán)重，這樣得到一個(gè)具有三個(gè)方程和三個(gè)未知量的系統(tǒng)，如下式所示。

一般來(lái)說(shuō)，為使MIMO系統(tǒng)發(fā)揮其潛能，信道系數(shù){aij} 的矩陣A必須是可逆的。隨著發(fā)生器和接收器附近路徑和反射數(shù)量的增多，需要A被逆轉(zhuǎn)的可能性也在增加。在空間獨(dú)立的瑞利(Rayleigh)衰落環(huán)境下，其影響是：實(shí)質(zhì)上可獲得的NM水平具有多樣性，并且可以建立min(N，M)個(gè)獨(dú)立并行信道。多樣性增加將導(dǎo)致顯著降低相同性能水平所需的總體發(fā)射功率。另一方面，并行信道數(shù)的增加等同于在相同帶寬內(nèi)增加了可獲得的數(shù)據(jù)速率。

我們現(xiàn)在對(duì)工作在典型瑞利衰落無(wú)線信道下基于MIMO的系統(tǒng)的好處進(jìn)行量化。圖2對(duì)可達(dá)到95%能力(所遇到的無(wú)線信道中，95%所能達(dá)到的最小能力；或換句話，對(duì)一個(gè)給定信道來(lái)說(shuō)，其能力有95%的可能比圖中所示的能力強(qiáng))的單天線系統(tǒng)(黃點(diǎn))與相陣多天線系統(tǒng)(藍(lán)曲線)及MIMO系統(tǒng)(紅曲線)進(jìn)行了比較。如圖所示，相陣系統(tǒng)的能力隨天線尺度的增加呈對(duì)數(shù)方式增長(zhǎng)，而MIMO系統(tǒng)呈線性增長(zhǎng)。對(duì)四天線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，相陣系統(tǒng)提供8bps/Hz的容量，而MIMO系統(tǒng)可達(dá)19bps/Hz。值得關(guān)注的是，在相陣系統(tǒng)中，必須對(duì)相陣系數(shù)進(jìn)行計(jì)算以使波速指向“最佳方向”。當(dāng)環(huán)境中有散射元素時(shí)，這樣做很困難。MIMO系統(tǒng)就不受該問(wèn)題的困擾，因解碼MIMO信號(hào)時(shí)，環(huán)境的幾何因素和其它反射源的位置業(yè)已被自動(dòng)計(jì)算在內(nèi)。

現(xiàn)以不同視角考慮MIMO系統(tǒng)的好處。假定需要一個(gè)固定的容量，如1bps/Hz，并問(wèn)如下一個(gè)問(wèn)題，“為獲得1bps/Hz的95%的容量，總共需多大發(fā)射功率？”結(jié)果在表1中所示。如表中所示，隨著MIMO系統(tǒng)中天線數(shù)的增加，獲得同樣數(shù)據(jù)吞吐率所需的接收功率越來(lái)越小。因此，若傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)需1W發(fā)射功率才能獲得一定吞吐率，則一個(gè)8 × 8 MIMO系統(tǒng)只需6mW功率就可獲得相同性能。

多種MIMO模式

空間復(fù)用MIMO系統(tǒng)的出現(xiàn)已吸引了眾多人的關(guān)注?？臻g復(fù)用MIMO方法已被建議用來(lái)解決任何/所有無(wú)線通信問(wèn)題。實(shí)際上，有四種獨(dú)立的多天線MIMO技術(shù)可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇。

· 空間復(fù)用(SM-MIMO)。在無(wú)線信道的本征模式(eigen-mode)，多個(gè)天線被用來(lái)創(chuàng)立空間上獨(dú)立的鏈接?？臻g復(fù)用系統(tǒng)通過(guò)在不同發(fā)射天線上發(fā)射不同數(shù)據(jù)來(lái)提升吞吐率，這樣就可在不增加帶寬的前提下，顯著提升吞吐率。空間復(fù)用系統(tǒng)的缺點(diǎn)是在接收器側(cè)需高度復(fù)雜的矩陣轉(zhuǎn)換操作，而且當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入“全復(fù)用”(空間流數(shù)等于發(fā)射天線數(shù)，也就等于接收天線數(shù))模式時(shí)，對(duì)信道損害更敏感。

· 空-時(shí)編碼(STC-MIMO)?？臻g-時(shí)間編碼系統(tǒng)通過(guò)在分別定義為時(shí)間、頻率和空間的三坐標(biāo)信令系統(tǒng)外增加冗余的方法來(lái)獲得編碼增益。它們還可用于提供發(fā)射多樣性增益。與空間復(fù)用系統(tǒng)比，STC-MIMO系統(tǒng)在提高通信魯棒性時(shí)并不顯著增加吞吐率增益。此外，STC-MIMO很適合發(fā)射器也許使用多于接收器天線的非對(duì)稱條件。

· 分集系統(tǒng)(DIV-MIMO)。分集是多天線處理的傳統(tǒng)形態(tài)，它在發(fā)射器和接收器間創(chuàng)建獨(dú)立信道，并在全部獨(dú)立信道上發(fā)射相同信號(hào)并將接收到的信號(hào)以最優(yōu)化的方式組合起來(lái)，能應(yīng)對(duì)快速衰減的影響。

· 智能天線(SA-MIMO)系統(tǒng)。它是一種可在特定指向上自動(dòng)適應(yīng)波束或波束零點(diǎn)(beam-null)的自適應(yīng)相陣天線系統(tǒng)。

MIMO在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用

MIMO技術(shù)的實(shí)在好處并非僅是簡(jiǎn)單地提升吞吐率或可靠性，而是當(dāng)恰到好處地與射頻的其它因素結(jié)合起來(lái)時(shí)，MIMO可實(shí)現(xiàn)真正具有豐富模式的射頻——而這正是適合于高樓林立的都市以及森林地帶所具有的非視域(NLOS)環(huán)境的理想射頻技術(shù)。這種能力使支持MIMO的系統(tǒng)展示出超越以往單天線射頻的彈性并能更好地滿足戰(zhàn)斗人員和操作環(huán)境的需要。

用于軍事通信的例子：

· 對(duì)通信中心講(即：地面指揮所、艦對(duì)岸或艦對(duì)艦通信)，在高吞吐率模式可以高于100Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。

· 在非NLOS環(huán)境，射頻可利用一種物理模式(如把數(shù)據(jù)速率降低為10Mbps)以換取更高的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。在城市環(huán)境中在不同街道行進(jìn)的一隊(duì)坦克可繼續(xù)進(jìn)行交叉通信。

· 在利用干擾裝置力圖施擾通信的環(huán)境下，一個(gè)通過(guò)多個(gè)信道發(fā)送冗余數(shù)據(jù)的模式可確保接收機(jī)接收到未被干擾的數(shù)據(jù)。完整性和一致性可拯救生命并有助于使命的完成。

· 在移動(dòng)環(huán)境(即：在開(kāi)闊地帶行駛的坦克或軍車、搜索目標(biāo)區(qū)域的無(wú)人駕駛偵察機(jī))，可采用另一個(gè)模式在快速移動(dòng)的目標(biāo)間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

·

· 對(duì)隱蔽應(yīng)用，一些方案可借助豐富的MIMO模式，如采用超低發(fā)射功率模式、以降低的數(shù)據(jù)速率發(fā)射數(shù)據(jù)來(lái)消隱電氣痕跡。

· 對(duì)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視應(yīng)用(即：邊界或周邊監(jiān)控、實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控)言，可采用高吞吐率、高QoS模式。

· 對(duì)網(wǎng)狀網(wǎng)來(lái)說(shuō)，一些方案借助了所有反射的好處(即：信號(hào)會(huì)在數(shù)百輛裝甲車輛間發(fā)生反射和折射)來(lái)提升性能，與此相比，目前的單天線系統(tǒng)在苛刻、強(qiáng)干擾環(huán)境下無(wú)法正常工作。

MIMO的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

目前，供應(yīng)商必須提供包含了天線、RF收發(fā)器、基于數(shù)據(jù)包的基帶處理引擎，以及魯棒和直觀的API的完整射頻模塊(圖3)。Silvus Technologies公司的SC2000等方案是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)槿魏蚊浇榻尤肟刂?MAC)協(xié)議都可對(duì)該射頻單元進(jìn)行操控。用戶(或用戶程序)可以基于單個(gè)數(shù)據(jù)包指定射頻參數(shù)。借助300種以上的可選工作模式，這些平臺(tái)使用戶能夠?qū)我粩?shù)據(jù)包進(jìn)行設(shè)置。

MIMO技術(shù)及其高效開(kāi)發(fā)平臺(tái) src="http://www.my-1688.com/uploadfile/2012/0910/20120910115934352.jpg" align=center border=0>

可通過(guò)對(duì)10個(gè)不同參數(shù)(每個(gè)參數(shù)值都具有可選范圍)的操控來(lái)實(shí)現(xiàn)這些豐富的模式。表2總結(jié)了這10個(gè)參數(shù)及各自的取值范圍。

這個(gè)平臺(tái)采用兩個(gè)FPGA(分別用于MAC和PHY)以及一個(gè)PowerPC處理器，可通過(guò)USB 2.0或以太網(wǎng)接口該平臺(tái)。該平臺(tái)在一個(gè)FPGA內(nèi)嵌入了4×4 PHY，最多可連接四個(gè)射頻板。這些方案具有更高的性能和成本效益，以及開(kāi)發(fā)基于MIMO系統(tǒng)時(shí)的整體效率。一個(gè)完整的FPGA快速原型生成系統(tǒng)支持半實(shí)物(hardware-in-the-loop)協(xié)同仿真和實(shí)時(shí)處理。另外，它通過(guò)如下兩條途徑縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間：1，快速概念驗(yàn)證；2，把基于MIMO的PHY/MAC整合進(jìn)用戶的具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

該工具帶的基線設(shè)計(jì)是兼容802.11n的PHY+MAC，但該基線設(shè)計(jì)可擴(kuò)展至包括消弭干擾協(xié)議以及可變帶寬能力。另外，還可用該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于FPGA的視頻編解碼器以使能無(wú)線視頻流布應(yīng)用。因可在一個(gè)經(jīng)驗(yàn)框架下用該評(píng)估板確認(rèn)給定環(huán)境下的最優(yōu)模式，所以還可在設(shè)計(jì)中利用該工具以配置終端系統(tǒng)。舉個(gè)例子，我們考慮用戶想要確認(rèn)給定環(huán)境下的最佳發(fā)射模式這樣一種情況。該評(píng)估板為用戶提供了完全配置能力、還允許他/她容易地遍歷幾百個(gè)參數(shù)配置以為手邊的具體應(yīng)用確認(rèn)最佳的鏈接參數(shù)集。

該評(píng)估平臺(tái)可用于驗(yàn)證IP并把該IP與客戶整體方案內(nèi)的其它元素進(jìn)行對(duì)接。當(dāng)研究人員擁有這樣一個(gè)平臺(tái)時(shí)，該平臺(tái)成為借助先進(jìn)MAC和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)