MIMO技术在无线通信领域的应用探讨

[摘 要]近几年以来，无线通信行业迅速发展，尤其是多输入多输出技术的发现，这是一项重大的突破。本文通过对当前通信行业的研究，将MIMO技术的理论和其在无线通信行业中的应用进行了简单的介绍，此外，还包括空间的分集以及空间编码等。通过大量的实践证明我们可以发现，MIMO技术的使用，能够大大增加通信系统的容量，增强其频谱的利用率。

[关键词]MIMO；信道容量；空间分集

中图分类号：TN657.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0266-01

随着数字技术的飞速发展，多媒体逐渐进入人们的视野，此外，人们生活水平不断提高，对移动通信中的图像、视频等的传输要求不断增加。在这种形式下，4G网络通信技术应运而生，其作为一项新兴的技术，能够解决传统的通信技术中存在的大多数问题，尤其是其强大的数据传输速率，使其能够更好的保证传输过程中信息的安全性。因此，4G网络受到的关注越来越大。在4G网络中存在着一种TD-LTE技术，而其中的MIMO技术则是该技术的核心，具有非常重要的意义。MIMO技术是一种利用多天线系统进行数据传输的新型空时处理技术，从而大大增加通信系统的工作效率。

1 MIMO技术概述

1.1 MIMO技术的发展

MIMO技术是一种多入多出系统，能够在其发射端和接收端同时接受多个天线通信的系统，因此，在不增加宽带的情况下，是最好的提高通信系统容量以及频谱利用率的方法，同时，能够大大减少通信企业的成本，增加企业的经济效益。

该项技术最早是由意大利无线电工程师马可尼专家在1908年发明，其首次采用了多条天线结构的发射端和终端，增加了发射端的信号传输能力，并抑制了通信过程中信道的衰落情况，从而使通信系统信道的容量等得到了巨大的提高，同时，提高了其信道的传输速率。早在20世纪70年代就有人提出将该系统应用在通信网络中，然而，由于当时的技术限制，导致其直到90年代才初步进入通信行业，并展现了其巨大的发展潜力。MIMO技术的开发和应用促进了通信行业的发展，在接下来的几年内，朗讯等公司在该技术的基础上开发了WIFI等商用系统。到2012年，基本上所有的通信系统全部采用MIMO技术，该技术占据了几乎全部的通信市场。

1.2 MIMO技术的信号模型

MIMO技术采用了一种全新的信号模型，在天线的信号发射端和接收端分别采用了多天线结构，将需要传输的信息经过空时编译进行处理，使其变为Xn个信息子流，这些信息子流能够同时经过不同的信道，每个信号需要占用一个频带进行数据传输，但是却并没有增加系统的宽带。假如接收天线和发射天线的信道之间不存在相互的依赖或者影响关系，则可以创造更多的空间信道，同时，这些空间信道之间是并行的。空间信道的增加能够增大数据的传输效率，同时，由于这些空间信道的独立性，使其数据的传输速率得到了进一步的提高。

2 MIMO技术的传输机制

随着MIMO技术的发展，衍生了许多新兴的空时码，其具有传统的通信技术和MIMO技术的双重特点，包含了空间分集和时间分集，因此，可以将分集增益和编码增益同时进行提供，下面主要介绍一下空时码。

2.1 STTC

这是一种空时格码，是一种由延时分集衍生而来的新型空时码，结合了TCM编码的优点，并进行了大量的改进。该空时码的频带利用率不是由天线的数目决定的，而是由分集增益和频带的利用率来决定译码的复杂情况，而对于大多数的译码来说，其都是比较复杂的。对于空时格码来说，最好的设计形式是将任意的两个码字矩阵进行最大程度上的欧式距离计算，因此，想要如何更好的设计一个好的码是非常重要的。

最近几年以来，不少的研究学者对STTC技术进行相应的改变，希望能够提高其工作性能，然而，这些工作的主要精力大部分都投入在了新码字的构造上，希望能够改进最初的设计标准，尽管在开始能够获得一定的经济效益，但是却不能保证企业的效益和增益，因此，其研究工作还需要更大的努力。

2.2 STBC

STBC又叫做空时分组码，这种空时码使用的是两根发射天线，能够在接收端使用最大似然译码进行数据的分析和接收。由于这种空时码使用的线性处理方式较为简单，因此，一般使用在3G网络中，用其进行简单的数据传输和分集。

STBC同传统的空时码相比，其每根发射天线发射的信号都是正交的，因此，能够使STBC得到最大程度上的分集增益。然而，这种增益是通过一定的性能牺牲来得到的，主要是通过降低编码增益以及部分的频带利用率，但这种牺牲是相互的，当传输速率较低时，可以通过牺牲一定的正交性来提高传输速率。在当前的空时码中，存在着一种既能够全部保留分集增益以及传输速率，但是其性能却不会被降低的新型码，但这种空时码大大增加了译码的复杂程度。

3 MIMO应用及其发展前景

伴随着MIMO技术的不断发展，其存在的弊端逐渐被解决，同时其优势逐渐体现了出来。在最新的一项研究中发现，将MIMO和另外的通信技术进行一定的结合，能够进一步提高通信系统的性能，这引起了相关专家和学者的关注。

3.1 空间分集

在进行无线通信时，空间的变化对信息的传递具有非常重要的影响。然而，在使用较多的接收信道时，这种影响几乎可以忽略不计，因此，人们根据这一研究成果提出了设置多个天线的设想，通过将信号进行独立的接收，然后进行相应的重组，能够实现空间发射和接收分集，这就是所谓的空间分集。这种技术在当前的无线通信中是非常常见的，能够大大克服无线传输中的信道衰落情况，增强信息的传输效率。

对于常见的空间分集，主要分为两种，分别是发射分集和接收分集，而比较常用的则是接收分集，也就是在天线的接收端采用多个天线的接收方式，能够在每一个接收天线上都得到一定的传输信号，然后根据一定的合并原则将得到的分信号进行合并，得到发射信号，这种信号传输方式能够大大增加信号的接收能力。而发射分集则是在发射端安装多个天线，对于每一个天线都分配合适的信号发射功率，因此，在接收端则可以只安装一个天线来进行接收。

3.2 接收机复杂度

将信道技术应用在MIMO中，会在一定程度上增加其复杂程度，因为在进行数据传输时，需要对所有的路径进行跟踪，出现了大量的系数，同传统的单个系数相比，这种情况大大增加了信道系统的复杂程度，因此，在实际的应用中，需要对天线的数目进行一定的限制。然而这种复杂程度的变化并非该技术的发展瓶颈，主要是因为额外的复杂程度来源与额外的射频和硬件等的相关算法。对于通信系统的接收机来说，一般应是双模的，此外，还需要能够支持非MIMO模式。对于这种模式，由于其增加了MIMO技术的复杂程度，导致其天线的数量需要进行一定的提高。除此之外，还需要考虑到环境等对系统复杂程度的影响。

为了能够更好的避免由于SAW滤波器造成的RF电路复杂化的问题，可以增加系统的Homodyne检测，将MIMO技术的复杂程度降到最低。对于MIMO技术来说，其复杂程度不会对该系统的成本造成多大的影响，但是由于其性能等优势，导致其成本较传统的接收机还是稍高一些的。

3.3 MIMO信道模型

对于MIMO系统来说，信道模型的质量好坏对于其性能具有非常重要的影响，尤其是信道的矩阵元素等，其相关度和时延的扩展，对于系统的性能具有直接的影响。在传统的天线系统中，由于多年的发展，其存在着一个固定的天线系统模型，然而，ITU到目前还没有一个统一的模型，比较常见的有IEE802.11a和IEE802.11b等。

4 总结

随着我国通信技术的不断发展，其对数据传输的速率要求将会越来越高，仅仅依靠传统的通信技术已经不能满足人们的需要。MIMO技术作为一种新型的通信系统，其通过自身强大的通信性能，使其能够在不增加成本的情况下大大提高通信的数据传输效率，受到越来越多人的关注。通过克服当前MIMO技术中存在的问题，能够使MIMO技术得到进一步的发展，最终成为无线局域网的下一代领军技术。

参考文献

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