MIMO無(wú)線技術(shù)研究

近來(lái)，MIMO|0">MIMO無(wú)線系統(tǒng)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(guān)注。

本文對(duì)MIMO無(wú)線系統(tǒng)這一熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行概述。首先介紹MIMO無(wú)線鏈接巨大潛能的背景、原理以及實(shí)現(xiàn)MIMO優(yōu)點(diǎn)的各種技術(shù)和算法。然后介紹了MIMO在3G|0">3G中應(yīng)用的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞MIMO空間復(fù)用空時(shí)編碼

近來(lái)，多入多出(MIMO)數(shù)字通信作為現(xiàn)代通信一個(gè)最重要的技術(shù)突破吸引了廣大研究人員的關(guān)注。在解決未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)密集型業(yè)務(wù)容量瓶頸的新近技術(shù)中，MIMO技術(shù)顯得非常突出。其實(shí)，在發(fā)明MIMO技術(shù)后的幾年后，這項(xiàng)技術(shù)就有向標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品大規(guī)模滲透的勢(shì)頭，例如寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)、3G等等。

本文對(duì)MIMO這一新的無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行概述。介紹了MIMO無(wú)線鏈接巨大潛能的背景、原理、實(shí)現(xiàn)MIMO優(yōu)點(diǎn)的各種技術(shù)和算法及MIMO在3G中應(yīng)用的問(wèn)題。

1 MIM0系統(tǒng)的原理

MIMO的定義非常簡(jiǎn)單。移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)指的是利用多根發(fā)射天線和多根接收天線進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)，使用這種技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)即為MIMO系統(tǒng)。當(dāng)天線相互之間有足夠遠(yuǎn)的距離，各根發(fā)射天線到各根接收天線之間的信號(hào)傳輸可以看成是相互獨(dú)立的，所采用的多根天線可以稱(chēng)為分立式多天線，如應(yīng)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(hào)傳輸可以看成是相關(guān)的，所采用的多根天線稱(chēng)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(shù)中，只有發(fā)信機(jī)或者收信機(jī)配備多根天線，較為典型的是基站配備多根天線，因?yàn)橐话阏J(rèn)為在基站比移動(dòng)電話更能承擔(dān)額外的成本和空間。傳統(tǒng)上，智能天線的智能性體現(xiàn)在權(quán)重選擇算法而不是編碼上，基于分立式天線空時(shí)碼的研究正在改變這個(gè)觀點(diǎn)。本文討論的MIMO技術(shù)特指基于分立式天線的MIMO技術(shù)。

MIMO的思想是把收發(fā)端天線的信號(hào)進(jìn)行合并，以改進(jìn)每個(gè)MIMO用戶的通信質(zhì)量和速率。運(yùn)營(yíng)商可以利用這個(gè)優(yōu)點(diǎn)極大地提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量以增加收入。傳統(tǒng)上認(rèn)為多徑傳播是無(wú)線傳輸?shù)囊粋€(gè)缺陷，而MIMO系統(tǒng)的主要特征就是把多徑傳播轉(zhuǎn)變成為對(duì)用戶有利的因素。MIMO有效地利用隨機(jī)衰落來(lái)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(wú)線通信性能，不需要以頻譜為代價(jià)。MIMO技術(shù)還促使了其它很多領(lǐng)域的進(jìn)步，如信道建模、信息論和編碼、信號(hào)處理、天線設(shè)計(jì)、固定網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)的多天線蜂窩設(shè)計(jì)。

1.1MIMO系統(tǒng)的具體模型

數(shù)字信源以二進(jìn)制數(shù)據(jù)流形式進(jìn)入一個(gè)發(fā)射模塊，這個(gè)模塊包括錯(cuò)誤控制編碼功能和映射復(fù)調(diào)制符號(hào)功能。映射功能產(chǎn)生幾個(gè)單獨(dú)的符號(hào)流，這幾個(gè)符號(hào)流之間可以是獨(dú)立的、部分冗余的或完全冗余。每個(gè)符號(hào)流映射到其中一根發(fā)射天線上。映射可能會(huì)包括天線元的線性空間加權(quán)或者線性天線空時(shí)預(yù)編碼。經(jīng)過(guò)上頻轉(zhuǎn)換、濾波和放大，信號(hào)發(fā)射到無(wú)線信道。接收端使用多根天線捕獲信號(hào)。為了恢復(fù)消息，進(jìn)行解調(diào)和去映射操作。在選擇編碼和天線映射算法時(shí)，智能層次、復(fù)雜度和先驗(yàn)信道信息認(rèn)識(shí)有很大的不同，這依賴于具體應(yīng)用。

1.2實(shí)現(xiàn)MIMO優(yōu)點(diǎn)的各種技術(shù)和算法

貝爾實(shí)驗(yàn)室最早提出了基于空間復(fù)用的分層空時(shí)碼技術(shù)，它可在中高信噪比下實(shí)現(xiàn)最高達(dá)30b/s/Hz的傳輸效率。1998年Tarokh提出了空時(shí)格碼技術(shù)，它把編碼調(diào)制與分集綜合考慮，提出了構(gòu)造準(zhǔn)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(zhǔn)則。為了減少接收端復(fù)雜度，Tarokh等又提出了空時(shí)分組碼技術(shù)?？諘r(shí)分組碼技術(shù)在發(fā)送端對(duì)幾個(gè)連續(xù)發(fā)送符號(hào)作簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)最大的發(fā)送分集增益。以上提到的幾種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2 3G中的MIMO應(yīng)用

目前，對(duì)MIMO技術(shù)的研究工作已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)成熟的階段。3G中MIMO方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)開(kāi)始，主要是在國(guó)際電信聯(lián)盟和3GPP的論壇上進(jìn)行。對(duì)MIMO進(jìn)行補(bǔ)充的許多技術(shù)用來(lái)改進(jìn)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(duì)3G增強(qiáng)的技術(shù)，例如高速數(shù)字分組接入(HSDPA)、自適應(yīng)調(diào)制與編碼、混合ARQ等等。但至今為止，MIMO在蜂窩系統(tǒng)中還很少商業(yè)實(shí)現(xiàn)。除了多人單出的純發(fā)分集方案，目前3G還沒(méi)有采用任何的MIMO方案。下面討論影響MIMO系統(tǒng)大規(guī)模商業(yè)化的兩個(gè)主要因素。

第一個(gè)因素是天線問(wèn)題。在MIMO的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，天線的數(shù)目和間距是很重要的系統(tǒng)參數(shù)。具有多天線的基站更多地關(guān)注環(huán)境，因此，天線元的數(shù)目被限制在恰當(dāng)?shù)臄?shù)目，比如說(shuō)四根天線。而對(duì)于終端而言，1/2波長(zhǎng)間距足夠保證非相關(guān)衰落?？梢栽O(shè)想終端天線的最大數(shù)為四根，當(dāng)然，兩根天線實(shí)現(xiàn)的可能性更大。間距參數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)MIMO的高頻譜效率尤其重要。然而，對(duì)于手機(jī)而言，安裝兩根天線可能是個(gè)問(wèn)題。這是因?yàn)槟壳笆謾C(jī)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)是把天線放入蓋子里以改進(jìn)外表的吸引力，這就使得間隔的要求近乎苛刻。

第二個(gè)因素是接收機(jī)復(fù)雜度的問(wèn)題。首先，接收機(jī)中對(duì)MIMO信道的估計(jì)使得復(fù)雜度增加。另外，復(fù)雜度還來(lái)自特別的RF、硬件和接收機(jī)高級(jí)分離算法。MIMO接收機(jī)應(yīng)該是雙模的，以支持非MIMO模式。在MIMO模式時(shí)，接收機(jī)的每根天線使用一個(gè)RF鏈路，另外還要有附加的基帶操作，即用來(lái)消除空間干擾的空時(shí)合并器和檢測(cè)器。這些附加需求使得四發(fā)四收MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜度大約是單天線接收機(jī)的兩倍。由于MIMO接收機(jī)環(huán)境的時(shí)延擴(kuò)展帶來(lái)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(huì)進(jìn)一步加大接收機(jī)的復(fù)雜度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文回顧了用于未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的MIMO技術(shù)的原理及其在3G中的應(yīng)用。信息論表明MIMO的實(shí)現(xiàn)可以帶來(lái)巨大的容量和性能增益。在實(shí)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(hào)處理算法的合理設(shè)計(jì)。另外，要讓MIMO算法成功用于商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)更多更具體的MIMO信道進(jìn)行良好的建模。

作者：葉卓映 耿國(guó)桐 吳偉陵