移动通信中的MIMO技术

摘要：未来的新一代移动通信系统（４Ｇ）需要提供极高的数据速率，在有限的频谱下提供尽可能高的传输速率，这就需要采用高频谱利用率技术。在理想情况下，多进多出（ＭＩＭＯ）技术可以随着天线数目的增大而线性增大信道容量，具有极高的频谱利用率，是未来移动通信系统中最富有竞争力的技术之一。详细介绍ＭＩＭＯ技术中的空间复用和分集，并给出了ＭＩＭＯ技术的研究方向。

关键词：移动通信，ＭＩＭＯ，４Ｇ，空间复用，空间分集

最近十年来，因特网和移动通信飞速发展，在第三代蜂窝移动通信中已经部分地引入了无线因特网和多媒体业务。而在新一代移动通信系统（即所谓的Ｂｅｙｏｎｄ ３Ｇ或４Ｇ）中，人们对传输速率提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速率。然而频谱资源总是有限的，要支持高速率就要开发具有极高频谱利用率的无线通信技术。最近的研究表明，多进多出（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ － Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）技术可以显著提高无线系统的频谱利用率。实验室的研究证明，采用ＭＩＭＯ技术在室内传播环境下的频谱效率可以达到２０？４０ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ；而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为１？５ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ，在点到点的固定微波系统中也只有１０？１２ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ。ＭＩＭＯ技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一。

ＭＩＭＯ是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，而传统的通信系统是单进单出（ＳＩＳＯ）系统，基于发射分集和接收分集的多进单出（ＭＩＳＯ）方式和单进多出（ＳＩＭＯ）方式也是ＭＩＭＯ的一部分。ＭＩＭＯ并不是一门新技术，早在１９０８年马可尼就提出用ＭＩＭＯ方式来抵抗无线信道的衰落。贝尔实验室的Ｅ．Ｔｅｌａｔａｒ和Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ分别独立地在他们各自的论文［１］和［２］中论证了理论上的ＭＩＭＯ信道的香农容量。他们指出，使用Ｎ×Ｍ信道矩阵描述Ｍ副发射天线和Ｎ副接收天线系统的无线信道，如果Ｎ×Ｍ信道矩阵的元素间具有理想的独立衰落，系统容量将会随发射方和接收方天线数中最小一方的天线数ｍｉｎＮＭ的增加而线性增加。这可以在ＳＩＳＯ基础上成倍地增加系统容量。同时，Ｆｏｓｃｈｉｎｉ还开发了用于ＭＩＭＯ系统的实际发射／接收算法，这就是著名的贝尔实验室分层空时码（ＢＬＡＳＴ）算法[２]。后来另外一个突破性的方案，即空时编码的思想由ＡＴ＆Ｔ实验室提出[３]，它可以提高ＭＩＳＯ和ＭＩＭＯ系统的分集增益。这些信号处理方案可以提高ＭＩＭＯ系统的容量，因而吸引了大量的研究开发人员和工程技术人员进行更深入的研究。

一、 MIMO技术

ＭＩＭＯ技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，目前针对ＭＩＭＯ信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。

１． 空间复用技术

空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线？充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道（ＭＩＭＯ子信道）发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量一种非常有效的手段。

空间复用的实现如图１所示，首先将需要传送的信号经过串并转换转换成几个平行的信号流？并且在同一频带上使用各自的天线同时传送，由于多径传播？每一副发射天线针对接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号不同来区分各自的数据流。实现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离，这样才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。

实现空间复用的接收端的解码算法有迫零算法（ＺＦ）、最小均方误差算法（ＭＭＳＥ）、垂直－贝尔实验室分层空时码（Ｖ－ＢＬＡＳＴ）算法和最大似然算法（ＭＬ）。迫零算法是一种线性接收方法，可以很好地分离同频信号，但是需要有较高的信噪比才能保持较好的性能。另一种线性接收算法是最小均方误码算法，该算法可以使由于噪声和同频信号相互干扰造成的错误最小，尽管它降低了信号分离的质量，但具有较好的抗噪性能。最大似然算法接收性能最好，但是计算复杂性高。

ＢＬＡＳＴ是一种可以实现空间复用增益的算法。１９９６年Ｆｏｓｃｈｉｎｉ提出对角－贝尔实验室分层空时码（Ｄ－ＢＬＡＳＴ）算法，但是由于算法的复杂度太大，很难实际应用。１９９８年由Ｆｏｓｃｈｉｎｉ和Ｇ．Ｇｏｌｄｅｎ提出Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法不是对所有的发送信号一起解码，而是首先对最强的信号解码，然后在接收到的信号中减去这个最强的信号，再对剩余信号中的最强信号解码，再减去这个信号，这样依次进行，直到所有的信号都被译出。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法是算法复杂度和译码性能综合考虑下一种最优的译码算法。

２． 发送分集和接收分集

空间分集技术可以分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为ＳＩＭＯ系统是接收分集，ＭＩＳＯ系统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个位置间距大于天线之间的相关距离（通常相隔十个信号波长以上），就认为两处的信号完全不相关，这样就可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副或者多副大于相关距离的天线同时接收信号，然后在基带处理中将多路信号合并。在ＳＩＭＯ系统中的接收分集技术可以分成最大比率合并（ＭＲＣ）、等增益合并（ＥＧＣ）和选择分集合并（ＳＤＣ）三种类型。在最大比率合并的接收中，每一副天线的输出用一个复数加权，然后相加；等增益合并接收使各副天线的输出信号保持同相，然后相加。选择分集合并接收中，简单地选择众多信号中的一个质量最好的天线的信号，并使用该信号作为接收到的信号。由于最大比率合并之后信号的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。

发射分集就是将分集的负担从终端转移到基站端，然而采用发射分集的主要问题是在发射端不知道衰落信道的信道状态信息（ＣＳＩ）。因此，必须采用信道编码以保证各信道具有良好的性能，具体是采用空时编码（参见文献［３？５］）。空时码（ＳＴＣ）是信道编码设计和多发射天线的结合，由ＡＴ＆Ｔ 实验室的Ｔａｒｏｋｈ等人提出。空时码在将数据分成ｎ个数据子流在Ｎ副天线上同时发射时，建立了空间分离信号（空域）和时间分离信号（时域）之间的关系，而且在采用最大比率接收合并（ＭＲＲＣ）技术接收时，这些空时码方案可以获得相同的分集增益。除了分集增益以外，好的空时码还可以获得一定的编码增益。

基于分集发射的空时码可以分为空时格码（ＳＴＴＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｔｒｅｌｌｉｓ Ｃｏｄｅ）和空时块码（ＳＴＢＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｂｌｏｃｋ Ｃｏｄｅ）。空时格码有较好的性能，但其译码复杂度与传输速率成指数关系，实现难度较大。Ｓ．Ｍ．Ａｌａｍｏｕｔｉ在文献３中论证了通过一定的信道编码可以将１×２的接收分集增益，转换成２×１的发射分集增益而不会损失分集增益，这可以认为是空时块码的原始模型。在这个基础上Ｔａｒｏｋｈ提出了空时块码，正交设计理论的空时块码性能稍逊于空时格码，但其译码复杂度很低，还可能得到最大的分集发射增益。经过空时编码的信号经过多条相关性较小的无线信道到达接收端，接收端通常需要知道各无线信道参数，即信道估计，可以使用基于导频训练序列进行信道估计，也可以使用盲估计。

二、MIMO技术的应用

目前，朗讯、松下、金桥和ＮＴＴ ＤｏＣｏＭｏ等公司都在积极倡导ＭＩＭＯ天线系统技术的应用。在３ＧＰＰ的高速下行分组接入方案（ＨＳＰＤＡ）中提出了使用ＭＩＭＯ天线系统，这种系统在发送和接收方都有多副天线，可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外，在３ＧＰＰ的ＷＣＤＭＡ协议中，涉及到了六种分集发射方法：空时分集发射（ＳＴＴＤ：Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）、时间切换分集发射（ＴＳＴＤ：Ｔｉｍｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）、两种闭环分集发射模式、软切换中的宏分集，以及站点选择分集发射（ＳＳＤＴ：Ｓｉｔｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｔｒａｎｓｍｉｔ）。宏分集是指在ＣＤＭＡ系统的软切换过程中，可以通过两个甚至三个基站同时向一个移动台发射同样的信号，这是宏分集发射；同样，接收时通过相邻的基站进行分集接收（多个基站接收），即进行宏分集接收。
 
 　　ＭＩＭＯ技术已经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中，采用ＭＩＭＯ的主要公司是Ｉｏｓｐａｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ和Ｒａｚｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ。Ｉｏｓｐａｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ的ＡｉｒＢｕｒｓｔ系统是基于ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ的ＦＤＤ系统。Ｒａｚｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ的ＳｋｙＦｉｒｅ系统也具有ＭＩＭＯ接口，并且可以用波束成形控制器来升级。

三、MIMO技术的研究方向

过去的十几年中，ＭＩＭＯ技术已经取得相当大的进展，但是在实际的系统中要达到ＭＩＭＯ理论上的容量增加仍然有许多技术难点。这些技术难点也是目前ＭＩＭＯ技术的研究热点，下面就对这些热点问题进行介绍。

１． 信道建模和信道容量

研究ＭＩＭＯ技术时必须考虑信道模型。Ｆｏｓｃｈｉｎｉ、 Ｔｅｌａｔａｒ以及其他一些人士在最近发表的这方面论文中提出的ＭＩＭＯ信道模型，都是不符合实际环境的。他们都假定天线之间的信道互不相关，而且信道矩阵是一个满秩矩阵。实现ＭＩＭＯ系统实际增益的关键在于建立更准确的信道模型，这就必须考虑环境中无线电波的各种散射情况。同时需要考虑的因素有：发射和接收天线阵列的形状、天线间的距离；接收信号的角度扩散；信道衰落的模型是Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落还是Ｒｉｃｅ衰落；多径分量；天线的极化，等等。综合考虑上述因素，所需要的ＭＩＭＯ信道的一阶和二阶统计特性应该与现场实测的数据尽可能地吻合。

Ｆｏｓｃｈｉｎｉ给出的只是在非常理想情况下的信道容量，而实际上应该考虑多径，考虑衰落之间的相关性对信道容量的影响。在论文６中有ＭＩＭＯ信道容量最初始的一些研究结果，新模型的修订使得香农容量可以看做传播环境的函数，这样更贴近实际ＭＩＭＯ信道。

２． ＭＩＭＯ系统的信号设计和信号处理

对于实际可用的ＭＩＭＯ系统，首先应考虑ＭＩＭＯ信道的识别，也就是信道估计，可以使用盲或者非盲的信道估计；其次要考虑对于已知信道应如何设计最佳发送信号，尽可能设计出适合于大多数信道模型的通用信号，还可以考虑采用针对ＭＩＭＯ信道的前向纠错编码；最后是接收端的信号处理，接收信号处理对应信号设计，如果使用最优的发送信号方案，可以大大简化对接收信号的处理。一旦发送方案确定，就可以确定各种接收端的结构，当前的研究热点是考虑信号处理结构在性能和处理复杂性两者之间折中。

目前针对ＭＩＭＯ信道典型的发射方案可以分成两类：空间复用或者空间分集方案。前者的目标是利用ＢＬＡＳＴ算法使数据速率最大，后者是利用空时编码的思想使误码率最小。二者从不同的方面最大化地提高发送频谱利用率，将二者统一起来或者进行折中，将会是一个很好的研究方向。

３．与传播相关的研究方向

由于无线信道不可避免地存在多径传播，它带来的影响是码间串扰（ＩＳＩ），所以一般采用时域上的均衡来抵抗多径效应，这一点已在现在的ＣＤＭＡ系统中得到利用。如何解决ＭＩＭＯ系统的多径效应也是一个很重要的问题，现在常用的方法一是在接收端做均衡处理，二是与ＯＦＤＭ技术结合。ＯＦＤＭ技术本身具有很强的抗多径能力，而且ＯＦＤＭ是一种高速率的调制技术，具有灵活性高、方便操作、使用标准数字处理技术易于实现等优点，因此应用ＯＦＤＭ＋ＭＩＭＯ也是一个非常有前景的研究方向。

４． ＭＩＭＯ在未来网络中的应用

ＭＩＭＯ技术的巨大潜力表明其下一个应用领域无疑是新一代基于包交换的无线移动蜂窝网络（即Ｂｅｙｏｎｄ ３Ｇ／４Ｇ），当然目前的ＭＩＭＯ还有相当的局限性，比如存在额外的射频开销、收发天线的体积较大等。目前需要做的工作是：研究开发适合蜂窝网络的ＭＩＭＯ链路，以提高频谱效率、扩大小区覆盖范围、提高传输质量；设计利用ＭＩＭＯ信道实现在降低干扰和提高速率之间最优的折中算法；ＭＩＭＯ算法如何应用在由于用户移动造成的快速时变信道中；减少附加天线所带来的干扰；基于ＭＩＭＯ的物理层和ＭＡＣ层主要功能的分析及二者之间的相互作用；多用户情况下所引入的多址干扰，等等。

四、结语

目前，很多国家都已经开始新一代移动通信系统的研究，新一代移动通信系统可以提供高速率（１０？１００ Ｍｂｉｔ／ｓ）的数据业务，因此必须采用一些具有高频谱利用率的技术。ＭＩＭＯ技术具有极高的频谱利用率，而且其提供的空间分集可以显著改善无线链路性能，提高无线系统的容量和覆盖面。因此ＭＩＭＯ技术是未来移动通信中极具竞争力的技术，不但为固定无线接入技术带来革命性的变化，而且将对无线蜂窝系统产生深远的影响。