MIMO無線技術(shù)研究

近來，MIMO|0">MIMO無線系統(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MIMO無線系統(tǒng)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(xiàn)MIMO優(yōu)點的各種技術(shù)和算法。然后介紹了MIMO在3G|0">3G中應(yīng)用的問題。

關(guān)鍵詞MIMO空間復(fù)用空時編碼

近來，多入多出(MIMO)數(shù)字通信作為現(xiàn)代通信一個最重要的技術(shù)突破吸引了廣大研究人員的關(guān)注。在解決未來無線網(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，在發(fā)明MIMO技術(shù)后的幾年后，這項技術(shù)就有向標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品大規(guī)模滲透的勢頭，例如寬帶無線接入系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、3G等等。

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

1 MIM0系統(tǒng)的原理

MIMO的定義非常簡單。移動通信中的MIMO技術(shù)指的是利用多根發(fā)射天線和多根接收天線進行無線傳輸?shù)募夹g(shù)，使用這種技術(shù)的無線通信系統(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(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傳輸可以看成是相關(guān)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(shù)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(rèn)為在基站比移動電話更能承擔(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碼的研究正在改變這個觀點。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)端天線的信號進行合并，以改進每個MIMO用戶的通信質(zhì)量和速率。運營商可以利用這個優(yōu)點極大地提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量以增加收入。傳統(tǒng)上認(rèn)為多徑傳播是無線傳輸?shù)囊粋€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(shù)還促使了其它很多領(lǐng)域的進步，如信道建模、信息論和編碼、信號處理、天線設(shè)計、固定網(wǎng)和移動網(wǎng)的多天線蜂窩設(shè)計。

1.1MIMO系統(tǒng)的具體模型

數(shù)字信源以二進制數(shù)據(jù)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(fù)調(diào)制符號功能。映射功能產(chǎn)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(quán)或者線性天線空時預(yù)編碼。經(jīng)過上頻轉(zhuǎn)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(fù)消息，進行解調(diào)和去映射操作。在選擇編碼和天線映射算法時，智能層次、復(fù)雜度和先驗信道信息認(rèn)識有很大的不同，這依賴于具體應(yīng)用。

1.2實現(xiàn)MIMO優(yōu)點的各種技術(shù)和算法

貝爾實驗室最早提出了基于空間復(fù)用的分層空時碼技術(shù)，它可在中高信噪比下實現(xiàn)最高達(dá)30b/s/Hz的傳輸效率。1998年Tarokh提出了空時格碼技術(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等又提出了空時分組碼技術(shù)?？諘r分組碼技術(shù)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(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。

2 3G中的MIMO應(yīng)用

目前，對MIMO技術(shù)的研究工作已經(jīng)進入了一個相對成熟的階段。3G中MIMO方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)開始，主要是在國際電信聯(lián)盟和3GPP的論壇上進行。對MIMO進行補充的許多技術(shù)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(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)實現(xiàn)。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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計中，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，比如說四根天線。而對于終端而言，1/2波長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，兩根天線實現(xiàn)的可能性更大。間距參數(shù)對于實現(xiàn)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(shè)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(fù)雜度的問題。首先，接收機中對MIMO信道的估計使得復(fù)雜度增加。另外，復(fù)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(yīng)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(tǒng)的復(fù)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(fù)雜度。

3 結(jié)束語

本文回顧了用于未來無線網(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的實現(xiàn)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(shè)計。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