MIMO無(wú)線(xiàn)技術(shù)研究

近來(lái)，MIMO|0">MIMO無(wú)線(xiàn)系統以其在容量和性能上的巨大潛能吸引了廣大研究人員的關(guān)注。

本文對MIMO無(wú)線(xiàn)系統這一熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行概述。首先介紹MIMO無(wú)線(xiàn)鏈接巨大潛能的背景、原理以及實(shí)現MIMO優(yōu)點(diǎn)的各種技術(shù)和算法。然后介紹了MIMO在3G|0">3G中應用的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞MIMO空間復用空時(shí)編碼

近來(lái)，多入多出(MIMO)數字通信作為現代通信一個(gè)最重要的技術(shù)突破吸引了廣大研究人員的關(guān)注。在解決未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )密集型業(yè)務(wù)容量瓶頸的新近技術(shù)中，MIMO技術(shù)顯得非常突出。其實(shí)，在發(fā)明MIMO技術(shù)后的幾年后，這項技術(shù)就有向標準驅動(dòng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品大規模滲透的勢頭，例如寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、3G等等。

本文對MIMO這一新的無(wú)線(xiàn)通信系統進(jìn)行概述。介紹了MIMO無(wú)線(xiàn)鏈接巨大潛能的背景、原理、實(shí)現MIMO優(yōu)點(diǎn)的各種技術(shù)和算法及MIMO在3G中應用的問(wèn)題。

1 MIM0系統的原理

MIMO的定義非常簡(jiǎn)單。移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)指的是利用多根發(fā)射天線(xiàn)和多根接收天線(xiàn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸的技術(shù)，使用這種技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信系統即為MIMO系統。當天線(xiàn)相互之間有足夠遠的距離，各根發(fā)射天線(xiàn)到各根接收天線(xiàn)之間的信號傳輸可以看成是相互獨立的，所采用的多根天線(xiàn)可以稱(chēng)為分立式多天線(xiàn)，如應用于空間分集的多根天線(xiàn)就是這種情況。如果各根天線(xiàn)相互之間很近，各根發(fā)射天線(xiàn)到各根接收天線(xiàn)之間的信號傳輸可以看成是相關(guān)的，所采用的多根天線(xiàn)稱(chēng)為集中式多天線(xiàn)，如智能天線(xiàn)中的天線(xiàn)陣列。在一般的智能天線(xiàn)技術(shù)中，只有發(fā)信機或者收信機配備多根天線(xiàn)，較為典型的是基站配備多根天線(xiàn)，因為一般認為在基站比移動(dòng)電話(huà)更能承擔額外的成本和空間。傳統上，智能天線(xiàn)的智能性體現在權重選擇算法而不是編碼上，基于分立式天線(xiàn)空時(shí)碼的研究正在改變這個(gè)觀(guān)點(diǎn)。本文討論的MIMO技術(shù)特指基于分立式天線(xiàn)的MIMO技術(shù)。

MIMO的思想是把收發(fā)端天線(xiàn)的信號進(jìn)行合并，以改進(jìn)每個(gè)MIMO用戶(hù)的通信質(zhì)量和速率。運營(yíng)商可以利用這個(gè)優(yōu)點(diǎn)極大地提高網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量以增加收入。傳統上認為多徑傳播是無(wú)線(xiàn)傳輸的一個(gè)缺陷，而MIMO系統的主要特征就是把多徑傳播轉變成為對用戶(hù)有利的因素。MIMO有效地利用隨機衰落來(lái)提高傳輸速率。因此，MIMO成功的主要原因是，MIMO可以極大地提高無(wú)線(xiàn)通信性能，不需要以頻譜為代價(jià)。MIMO技術(shù)還促使了其它很多領(lǐng)域的進(jìn)步，如信道建模、信息論和編碼、信號處理、天線(xiàn)設計、固定網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)的多天線(xiàn)蜂窩設計。

1.1MIMO系統的具體模型

數字信源以二進(jìn)制數據流形式進(jìn)入一個(gè)發(fā)射模塊，這個(gè)模塊包括錯誤控制編碼功能和映射復調制符號功能。映射功能產(chǎn)生幾個(gè)單獨的符號流，這幾個(gè)符號流之間可以是獨立的、部分冗余的或完全冗余。每個(gè)符號流映射到其中一根發(fā)射天線(xiàn)上。映射可能會(huì )包括天線(xiàn)元的線(xiàn)性空間加權或者線(xiàn)性天線(xiàn)空時(shí)預編碼。經(jīng)過(guò)上頻轉換、濾波和放大，信號發(fā)射到無(wú)線(xiàn)信道。接收端使用多根天線(xiàn)捕獲信號。為了恢復消息，進(jìn)行解調和去映射操作。在選擇編碼和天線(xiàn)映射算法時(shí)，智能層次、復雜度和先驗信道信息認識有很大的不同，這依賴(lài)于具體應用。

1.2實(shí)現MIMO優(yōu)點(diǎn)的各種技術(shù)和算法

貝爾實(shí)驗室最早提出了基于空間復用的分層空時(shí)碼技術(shù)，它可在中高信噪比下實(shí)現最高達30b/s/Hz的傳輸效率。1998年Tarokh提出了空時(shí)格碼技術(shù)，它把編碼調制與分集綜合考慮，提出了構造準靜態(tài)瑞利衰落信道下滿(mǎn)分集增益和高編碼增益的系列準則。為了減少接收端復雜度，Tarokh等又提出了空時(shí)分組碼技術(shù)?？諘r(shí)分組碼技術(shù)在發(fā)送端對幾個(gè)連續發(fā)送符號作簡(jiǎn)單的正交編碼，接收端只要采用線(xiàn)性合并就可以獲得最大似然譯碼，實(shí)現最大的發(fā)送分集增益。以上提到的幾種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2 3G中的MIMO應用

目前，對MIMO技術(shù)的研究工作已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)相對成熟的階段。3G中MIMO方案的標準化工作已經(jīng)開(kāi)始，主要是在國際電信聯(lián)盟和3GPP的論壇上進(jìn)行。對MIMO進(jìn)行補充的許多技術(shù)用來(lái)改進(jìn)吞吐量、性能和頻譜效率，正引起研究人員的高度重視，特別是那些對3G增強的技術(shù)，例如高速數字分組接入(HSDPA)、自適應調制與編碼、混合ARQ等等。但至今為止，MIMO在蜂窩系統中還很少商業(yè)實(shí)現。除了多人單出的純發(fā)分集方案，目前3G還沒(méi)有采用任何的MIMO方案。下面討論影響MIMO系統大規模商業(yè)化的兩個(gè)主要因素。

第一個(gè)因素是天線(xiàn)問(wèn)題。在MIMO的系統設計中，天線(xiàn)的數目和間距是很重要的系統參數。具有多天線(xiàn)的基站更多地關(guān)注環(huán)境，因此，天線(xiàn)元的數目被限制在恰當的數目，比如說(shuō)四根天線(xiàn)。而對于終端而言，1/2波長(cháng)間距足夠保證非相關(guān)衰落?？梢栽O想終端天線(xiàn)的最大數為四根，當然，兩根天線(xiàn)實(shí)現的可能性更大。間距參數對于實(shí)現MIMO的高頻譜效率尤其重要。然而，對于手機而言，安裝兩根天線(xiàn)可能是個(gè)問(wèn)題。這是因為目前手機設計的趨勢是把天線(xiàn)放入蓋子里以改進(jìn)外表的吸引力，這就使得間隔的要求近乎苛刻。

第二個(gè)因素是接收機復雜度的問(wèn)題。首先，接收機中對MIMO信道的估計使得復雜度增加。另外，復雜度還來(lái)自特別的RF、硬件和接收機高級分離算法。MIMO接收機應該是雙模的，以支持非MIMO模式。在MIMO模式時(shí)，接收機的每根天線(xiàn)使用一個(gè)RF鏈路，另外還要有附加的基帶操作，即用來(lái)消除空間干擾的空時(shí)合并器和檢測器。這些附加需求使得四發(fā)四收MIMO系統的復雜度大約是單天線(xiàn)接收機的兩倍。由于MIMO接收機環(huán)境的時(shí)延擴展帶來(lái)的不同信道條件可能還需要均衡和干擾消除的處理，可能會(huì )進(jìn)一步加大接收機的復雜度。

3 結束語(yǔ)

本文回顧了用于未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的MIMO技術(shù)的原理及其在3G中的應用。信息論表明MIMO的實(shí)現可以帶來(lái)巨大的容量和性能增益。在實(shí)際中是完全還是部分獲得容量和性能增益依賴(lài)于收發(fā)信號處理算法的合理設計。另外，要讓MIMO算法成功用于商業(yè)標準依賴(lài)于在速率最大化和分集方案之間很好的折衷。還有，MIMO的成功還需要對更多更具體的MIMO信道進(jìn)行良好的建模。

作者：葉卓映 耿國桐 吳偉陵