MIMO無線技術研究

近來，MIMO|0">MIMO無線系統以其在容量和性能上的巨大潛能吸引了廣大研究人員的關注。

本文對MIMO無線系統這一熱點問題進行概述。首先介紹MIMO無線鏈接巨大潛能的背景、原理以及實現MIMO優(yōu)點的各種技術和算法。然后介紹了MIMO在3G|0">3G中應用的問題。

關鍵詞MIMO空間復用空時編碼

近來，多入多出(MIMO)數字通信作為現代通信一個最重要的技術突破吸引了廣大研究人員的關注。在解決未來無線網絡密集型業(yè)務容量瓶頸的新近技術中，MIMO技術顯得非常突出。其實，在發(fā)明MIMO技術后的幾年后，這項技術就有向標準驅動的無線網絡產品大規(guī)模滲透的勢頭，例如寬帶無線接入系統、無線局域網、3G等等。

本文對MIMO這一新的無線通信系統進行概述。介紹了MIMO無線鏈接巨大潛能的背景、原理、實現MIMO優(yōu)點的各種技術和算法及MIMO在3G中應用的問題。

1 MIM0系統的原理

MIMO的定義非常簡單。移動通信中的MIMO技術指的是利用多根發(fā)射天線和多根接收天線進行無線傳輸的技術，使用這種技術的無線通信系統即為MIMO系統。當天線相互之間有足夠遠的距離，各根發(fā)射天線到各根接收天線之間的信號傳輸可以看成是相互獨立的，所采用的多根天線可以稱為分立式多天線，如應用于空間分集的多根天線就是這種情況。如果各根天線相互之間很近，各根發(fā)射天線到各根接收天線之間的信號傳輸可以看成是相關的，所采用的多根天線稱為集中式多天線，如智能天線中的天線陣列。在一般的智能天線技術中，只有發(fā)信機或者收信機配備多根天線，較為典型的是基站配備多根天線，因為一般認為在基站比移動電話更能承擔額外的成本和空間。傳統上，智能天線的智能性體現在權重選擇算法而不是編碼上，基于分立式天線空時碼的研究正在改變這個觀點。本文討論的MIMO技術特指基于分立式天線的MIMO技術。

MIMO的思想是把收發(fā)端天線的信號進行合并，以改進每個MIMO用戶的通信質量和速率。運營商可以利用這個優(yōu)點極大地提高網絡的服務質量以增加收入。傳統上認為多徑傳播是無線傳輸的一個缺陷，而MIMO系統的主要特征就是把多徑傳播轉變成為對用戶有利的因素。MIMO有效地利用隨機衰落來提高傳輸速率。因此，MIMO成功的主要原因是，MIMO可以極大地提高無線通信性能，不需要以頻譜為代價。MIMO技術還促使了其它很多領域的進步，如信道建模、信息論和編碼、信號處理、天線設計、固定網和移動網的多天線蜂窩設計。

1.1MIMO系統的具體模型

數字信源以二進制數據流形式進入一個發(fā)射模塊，這個模塊包括錯誤控制編碼功能和映射復調制符號功能。映射功能產生幾個單獨的符號流，這幾個符號流之間可以是獨立的、部分冗余的或完全冗余。每個符號流映射到其中一根發(fā)射天線上。映射可能會包括天線元的線性空間加權或者線性天線空時預編碼。經過上頻轉換、濾波和放大，信號發(fā)射到無線信道。接收端使用多根天線捕獲信號。為了恢復消息，進行解調和去映射操作。在選擇編碼和天線映射算法時，智能層次、復雜度和先驗信道信息認識有很大的不同，這依賴于具體應用。

1.2實現MIMO優(yōu)點的各種技術和算法

貝爾實驗室最早提出了基于空間復用的分層空時碼技術，它可在中高信噪比下實現最高達30b/s/Hz的傳輸效率。1998年Tarokh提出了空時格碼技術，它把編碼調制與分集綜合考慮，提出了構造準靜態(tài)瑞利衰落信道下滿分集增益和高編碼增益的系列準則。為了減少接收端復雜度，Tarokh等又提出了空時分組碼技術。空時分組碼技術在發(fā)送端對幾個連續(xù)發(fā)送符號作簡單的正交編碼，接收端只要采用線性合并就可以獲得最大似然譯碼，實現最大的發(fā)送分集增益。以上提到的幾種技術各有優(yōu)缺點。

2 3G中的MIMO應用

目前，對MIMO技術的研究工作已經進入了一個相對成熟的階段。3G中MIMO方案的標準化工作已經開始，主要是在國際電信聯盟和3GPP的論壇上進行。對MIMO進行補充的許多技術用來改進吞吐量、性能和頻譜效率，正引起研究人員的高度重視，特別是那些對3G增強的技術，例如高速數字分組接入(HSDPA)、自適應調制與編碼、混合ARQ等等。但至今為止，MIMO在蜂窩系統中還很少商業(yè)實現。除了多人單出的純發(fā)分集方案，目前3G還沒有采用任何的MIMO方案。下面討論影響MIMO系統大規(guī)模商業(yè)化的兩個主要因素。

第一個因素是天線問題。在MIMO的系統設計中，天線的數目和間距是很重要的系統參數。具有多天線的基站更多地關注環(huán)境，因此，天線元的數目被限制在恰當的數目，比如說四根天線。而對于終端而言，1/2波長間距足夠保證非相關衰落。可以設想終端天線的最大數為四根，當然，兩根天線實現的可能性更大。間距參數對于實現MIMO的高頻譜效率尤其重要。然而，對于手機而言，安裝兩根天線可能是個問題。這是因為目前手機設計的趨勢是把天線放入蓋子里以改進外表的吸引力，這就使得間隔的要求近乎苛刻。

第二個因素是接收機復雜度的問題。首先，接收機中對MIMO信道的估計使得復雜度增加。另外，復雜度還來自特別的RF、硬件和接收機高級分離算法。MIMO接收機應該是雙模的，以支持非MIMO模式。在MIMO模式時，接收機的每根天線使用一個RF鏈路，另外還要有附加的基帶操作，即用來消除空間干擾的空時合并器和檢測器。這些附加需求使得四發(fā)四收MIMO系統的復雜度大約是單天線接收機的兩倍。由于MIMO接收機環(huán)境的時延擴展帶來的不同信道條件可能還需要均衡和干擾消除的處理，可能會進一步加大接收機的復雜度。

3 結束語

本文回顧了用于未來無線網絡的MIMO技術的原理及其在3G中的應用。信息論表明MIMO的實現可以帶來巨大的容量和性能增益。在實際中是完全還是部分獲得容量和性能增益依賴于收發(fā)信號處理算法的合理設計。另外，要讓MIMO算法成功用于商業(yè)標準依賴于在速率最大化和分集方案之間很好的折衷。還有，MIMO的成功還需要對更多更具體的MIMO信道進行良好的建模。

作者：葉卓映 耿國桐 吳偉陵