浅谈MIMO技术未来前景

【摘 要】多输入多输出（MIMO）技术是在通信系统的收发端放置多根天线的一种通信技术，是近年来无线通信领域的一个新突破。MIMO技术能够在不增加系统的带宽和发射功率的前提下提高通信系统的容量、频带利用率以及改善系统的性能，从而成为新一代高数据率和多数据类型无线通信系统的关键技术。

【关键词】MIMO；信道容量；多径效应

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，主要有以下五个方面。

一、信道建模和信道容量

MIMO技术研究必须考虑信道模型和信道容量。实现MIMO系统实际增益的关键在于建立更准确的信道模型，在对MIMO信道容量进行研究时，应该考虑多径，考虑衰落之间的相关性对信道容量的影响。

二、MIMO系统的信号设计和信号处理

MIMO信道的识别、对于已知信道应如何设计最佳发送信号——设计出如何对应信号设计，这些都是实际可用的MIMO系统必须考虑的问题。使用最有的发送信号方案，可以大大简化对接收信号的处理。一旦发送方案确定，就可以确定各种接受端的结构，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。

三、与传播相关的研究方向

如何解决MIMO系统的多径效应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。美国A gere系统公司日前开发成功了最高传输速度为162Mbit/s的无线LAN（局域网）技术，这种技术是在收发两端使用阵列天线的多输入多输出（MIMO）和正交频分复用（OFDM）。该系统使用3对收发天线， 每对收发天线可以实现54M bit/s的传输速率。这是目前 MIMO+OFDM技术所表现的强大的应用潜力。世界各国和各大电信厂商目前都已经开展了新一代移动通信系统的研究， 而且MIMO技术是具有极高频谱利用率的技术， 在V - BLAST算法下， 理想情况下可以达到20-40 bit/s/Hz， 这是目前任何一种技术所达不到的。另外在各类无线通信系统中，ISI（符号间干扰）一直是影响通信质量的重要因素。OFDM技术能够有效对抗ISI， 同时具有频谱利用率高、抗多径衰落性能好、成本偏低等优点，使得这两种技术特别是两者的结合有望成为过渡到4G的潜在技术。因此这两种技术已经成为目前4G研究的热点，是一个非常有前景的研究方向。

四、MIMO在未来网络中的应用

在未来的4G系统中， MIMO技术将发挥巨大的作用， 但还有很多工作需要广大学者进行：研究开发适合蜂窝网络的MIMO链路； 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衷算法；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（媒体接入控制）层主要功能的分析及两者之间的相互作用；多用户情况下所引入的多址干扰等。

五、MIMO的未来展望

MIMO天线系统的容量突破了传统的Shannon信道容量（单天线发送和接收）的瓶颈。在平均分配天线的发射功率，且接收方已知信道信息的条件下，该容量与发送和接收天线数最小的一个成正比，在理论上，对于理想的随机信道，只要付出足够的天线成本和提供更多的空间，便可获得无限大的信道容量，但在实际中，并非如此，它要受到多种因素的制约。

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干扰。而MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，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。通常普遍认为OFDM技术是4G的核心技术，4G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MIMO-OFDM，可以提供高的数据传输速率，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，由此可见，MIMO-OFDM将是一个非常有前景的研究方向。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。

由此可见MIMO技术是未来移动通信中极具竞争力的技术，不但为固定天线接入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。