宽带无线通信中的MIMO技术 薛建彬

引言 随着无线多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性亟待提升，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。采用常规发射分集、接收分集或智能天线技术已不足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。然而，结合空时处理的多天线技术——多输人多输出(multiple-input multiple-output ,MIMO)技术，提供了解决该问题的新途径。

主要内容： MIMO系统简介 MIMO系统容量 MIMO系统中的关键技术 MIMO-OFDM系统 MIMO系统中的研究重点

1、MIMO系统简介 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。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（simple-input multiple-output）系统和MISO （multiple-input simple-output）系统。

一、MIMO的历史演进 利用MIMO（multiple input multiple output）技术是很早的，在1908年，马克尼就利用多副天线抑制信道衰落，而实现里跨大西洋的通信。但是，将MIMO技术用于无线通信中的研究开始于20世纪90年代中期。1995年,E.Teladar利用单天线的香农公式提出了多天线的香农容量。1996年，G.J.Foshini提出了D-BLAST(对角空时分层编码)算法，1998年，Tarokh等人将分集应用于MIMO中，首次提出了空时格形码STTC（space Time Trellis coding）,但由于STTC译码复杂，因在实际中很少应用。同年，Alamouti提出了一种利用两个天线的复正交设计方案，从而揭开了空时分组编码STBC(space Time Block coding)的研究。

二、MIMO原理及系统模型 MIMO的特点就是在系统中的收发各设置多副天线，无须增加发射功率和频谱带宽的情况下，能够成倍提高系统的信道容量和频谱利用率。 MIMO的核心思想：是将发射端、接受端的信号合并，以提高每个MIMO用户的通信质量和速率。 传统通信系统中，将多径衰落看作无线通信中的不利因素，而在MIMO系统中利用丰富的多径衰落，来提高传输速率，而无须增加额外的频谱。

图1 MIMO的信道模型 在发送端，输入的高速比特流首先经过一系列预处理，如：信道编码、交织、加权以及映射等。变成满足一定星座规则的符号流。然后通过空时编码，成为M个并行的子符号流，分别从M个天线上发送出去。在接受端与发送端相反的处理，恢复原始数据.

2、MIMO系统容量 单输入单输出（SISO）系统 ： 多输入单输出（MISO）系统 ： 单输入多输出（SIMO）系统 ：

也就是说可以利用MIMO技术成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则MIMO系统的最大容量或容量上限随最小天线数min(M,N)的增加而线性增加。 也就是说可以利用MIMO技术成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。

3、MIMO系统中的关键技术 在假设各天线相互独立的条件下,多天线系统比单天线系统在信道容量显著提高 ,能够获得MIMO系统这样的好处的方法就是空时编码。所谓空时编码就是在空间域和时间域两维方向上对信号进行编码。 目前研究最多的空时编码有基于发送分集的空时网格码（STTC）和空时分组码（STBC） ,以及不是基于发送分集的空时分层码（BLAST）。

（1）空时网格码（STTC）： 空时网格码最早是由V.Tarokh等人提出的，是在空时延迟分集,发送分集的基础上,将发送分集技术结合网格编码调制技术,提出了空时网格码. 空时网格码虽然能获得很大的编码增益和分集增益，但是由于在接收端采用维特比译码，其译码复杂度随着天线数和网格码状态数的增加成指数增加，因此在实际中应用有些困难。这就有了空时分组编码的出现。

空时分组码则是根据码字的正交设计原理来构造空时码字 ，空时分组码最早由Alamouti提出的。 （2）空时分组码STBC ： 空时分组码则是根据码字的正交设计原理来构造空时码字 ，空时分组码最早由Alamouti提出的。 其设计原则就是要求设计出来的码字各行各列之间满足正交性。 接收时采用最大似然检测算法进行解码，由于码字之间的正交性，在接收端只需做简单的线性处理即可,所以被广泛的应用。

(3)分层空时码BLAST ： 基本思想:是把高速的数据业务分接为若干低速数据业务,通过普通的并行信道编码后,对其进行分层次的空时编码,调制后再从多副天线发送. 分层空时码有三种形式，对角分层空时码D-BLAST、垂直分层空时码V-BLAST和水平分层空时码T-BLAST 。

4、MIMO-OFDM系统 虽然MIMO系统可以对抗多径衰落，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。 而在目前的宽带无线通信中，一般都会发生频率选择性衰落，为了使得MIMO系统性能在频率选择性衰落信道中依然 良好，可以将MIMO系统和正交频分复用OFDM调制技术结合起来，形成MIMO-OFDM系统。

将MIMO系统与OFDM技术相结合，可以充分利用二者的优势，而又互相弥补不足之处 。 1、MIMO-OFDM系统不仅有很高的频谱利用率，而且在OFDM基础上合理的开发了空间资源，可以提供更高的数据速率，提高系统容量，改善系统性能。 2、另一方面，加入了OFDM调制技术的MIMO系统在抗多径方面表现出了很大的优势，使得MIMO系统在频率选择性衰落信道中也能起作用。

5.MIMO系统中的研究重点 MIMO信道建模 算法的研究 信道估计 自适应调制和编码 实用化的研究

展望 在频带资源有限而高速数据需求无限增长的现实下，利用增加发射天线来增加空间自由度、改善系统性能、提高频带利用率是无线通信领域中的一个研究方向。MIMO技术以其特有的优点，将成为未来移动通信中的关键技术之一，将对无线蜂窝系统的发展产生深远的影响。