MIMO系统技术综述

摘要：近些年来, MIMO技术以其在容量和性能上的巨大潜能吸引了广大研究人员的关注。本文对MIMO技术这一热点问题进行了概述,对MIMO技术产生的背景，MIMO技术的原理、模型及其发展应用进行了全面的介绍。

关键词：MIMO；OFDM；3G；信道模型

中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)15-30713-01

The Summary of MIMO System Technology

XING Meng,ZHU Lian-xiang,YANG Zong-lin

(College of Communication & Information Engineering., Chongqing Univ. of Posts & Telecommunications, Chongqing 400065,China)

Abstract：During recent years, MIMO has been attracted by many researchers for its tremendous potential in capacity and performance. This paper summarizes MIMO technology, and gives a full-scale introduction of background , principle, model, development and application of MIMO.

Key words: MIMO;OFDM;3G;Channel Model

1 引言

在当今的信息社会中，人们对信息需求的急剧增长，要求无线通信系统必须能够提供更高的传输速率和更好的传输性能。由于无限频谱资源的匮乏，要达到这些要求，就需要通信系统必须具有更高的频谱效率。从目前技术发展来看，MIMO是增加无线通信系统频谱效率非常有效的一种方法。MIMO充分开发了空间资源，利用多个天线实现多发多收，在有限的频谱资源上可以实现高速率和大容量，可以取得极高的频谱效率[1]。在当前研究的下一代无线通信系统中，MIMO是不可缺少的关键技术。

MIMO技术最早是由Marconi于1908年提出的，后来在上世纪70年代有人提出将多输入多输出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多输入多输出技术产生巨大推动的奠基工作则是在上世纪90年代中期由AT&T BELL实验室学者完成的。1995年，BELL实验室的Telatar、Foschini等人在基于Rayleigh衰落、信道有大量的散射体、信道系数无关、最优编解码、发射端信道信息在接收端准确可知的假设下，从理论上证明了接收端和发送端均使用多天线(MIMO)可以使通信链路容量成倍增加的结果，即在M个发射天线、N个接收天线的MIMO系统中，信道容量随Min[M,N]线性增加[2]。

2 MIMO技术原理及模型

移动通信中的MIMO技术指的是利用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术, 使用这种技术的无线通信系统即为MIMO 系统。它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(单输入单输出)系统，MIMO还可以包括SIMO(单输入多输出)系统和MISO(多输入单输出)系统[3,4]。

MIMO的原理是把收发端天线的信号进行合并, 以改进每个MIMO用户的通信质量和速率。运营商可以利用这个优点极大地提高网络的服务质量以增加收入。传统上认为多径传播是无线传输的一个缺陷, 而MIMO 系统的主要特征就是把多径传播转变成为对用户有利的因素。MIMO 有效地利用随机衰落来提高传输速率。MIMO信道模型如图1所示：

系统共有M个发射天线和N个接收天线

整个发射功率为P,且与发射天线数目无关，每个天线具有相同的发射功率P/M

用M×1阶矩阵x代表发送信号

用N×1阶矩阵r代表接收信号

图1 MIMO信道模型

信道用H表示，H是N×M阶矩阵。假设信道是平坦慢衰落瑞利信道，且各个信道相互独立。H的元素hi,j是从发射天线j到接收天线i的复衰落系数，符合独立同分布的复高斯分布

这样，系统模型可以用矩阵表示，如公式（1）所示：

3 MIMO与OFDM的结合

MIMO系统在平坦衰落信道中通信时，可以利用传播中的多径分量，即此时MIMO可以抵抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO 系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术,还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM 技术是4G的核心技术，4G是需要极高频谱利用率的技术，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是采

用MIMO与OFDM相结合的系统，可以提供更高的数据传输速率。另外OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM 系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖[5-7]。下面给出MIMO与OFDM的结合方案，如图2所示：

图2 MOMO-OFDM实现框图

在本方案中的数据进行了两次串并转换，首先将数据分成N个并行数据流，将这N个数据流中的第n(n∈[1,N])个数据流进行第二次串并转换,变成L个并行数据流，分别对应L个子载波，将这L个并行数据流进行IFFT变换，将信号从频域转换到时域,然后从n(n∈[1,N])个天线上发送出去。这样共有NL个M-QAM符号被发送。整个MIMO系统假定具有N个发送天线，M个接收天线。在接收端第m(m∈[1,N])个天线接收到的第l(l∈[1,L])个子载波的接收信号，如公式（2）所示：

（2）

其中Hm,n,l是第l个子载波频率上的从第n个发送天线到第m,个接收天线之间的信道矩阵，并且假定该信道矩阵在接收端是已知的，Cn,l是第l个子载波频率上的从第n个发送天线发送的符号,是第l个子载波频率上的从第m个接收天线接收到的高斯白噪声。这样在接收端接收到的第l个子载波频率上的N个符号可以通过V-BLAST算法进行解译码，重复进行L次以后,NL个M-QAM符号可以被恢复出来[8]。

4 MIMO技术在3G中的应用

目前, 对MIMO 技术的研究工作已经进入了一个相对成熟的阶段。3G中MIMO方案的标准化工作已经开始, 主要是在国际电信联盟和3GPP的论坛上进行。不过MIMO在实际的蜂窝系统中还很少商业实现。除了多入单出的纯发分集方案, 目前3G还没有采用任何的MIMO方案。

影响MIMO系统大规模商业化的主要因素有两个：一个因素是天线问题，在MIMO的系统设计中, 天线的数目和间距是很重要的系统参数。具有多天线的基站更多地关注环境, 因此，天线元的数目被限制在恰当的数目，比如说四根天线。而对于终端而言，1/ 2 波长间距足够保证非相关衰落。可以设想终端天线的最大数为四根，当然，两根天线实现的可能性更大。间距参数对于实现MIMO的高频谱效率尤其重要。然而，对于手机而言，安装两根天线可能是个问题；另一个因素是接收机复杂度的问题，首先, 接收机中对MIMO 信道的估计使得复杂度增加。另外, 复杂度还来自特别的RF、硬件和接收机高级分离算法。MIMO 接收机应该是双模的，以支持非MIMO 模式。在MIMO 模式时, 接收机的每根天线使用一个RF 链路，另外还要有附加的基带操作,即用来消除空间干扰的空时合并器和检测器。这些附加需求使得四发四收MIMO系统的复杂度大约是单天线接收机的两倍。有的信道条件下可能还需要均衡和消除干扰的处理，这样会进一步增加接收机的复杂度。

5 总结与展望

无线通信需求的持续增长直接推动着无线通信新技术的诞生。在众多的新技术中，MIMO技术作为未来一代宽带无线通信系统的框架技术，是实现充分利用空间资源以提高频谱效率的一个必然途径，基于MIMO的无线通信理论和传输技术显示了巨大的潜力，MIMO技术必然会有广阔的发展前景。

参考文献:

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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。