MIMO无线技术研究

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近来，MIMO无线系统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无线系统这一热点问题进行概述。首先介绍MIMO无线链接巨大潜能的背景、原理以及实现MIMO优点的各种技术和算法。然后介绍了MIMO在3G中应用的问题。
    关键词MIMO空间复用空时编码
    近来，多入多出(MIMO)数字通信作为现代通信一个最重要的技术突破吸引了广大研究人员的关注。在解决未来无线网络密集型业务容量瓶颈的新近技术中，MIMO技术显得非常突出。其实，在发明MIMO技术后的几年后，这项技术就有向标准驱动的无线网络产品大规模渗透的势头，例如宽带无线接入系统、无线局域网、3G等等。
    本文对MIMO这一新的无线通信系统进行概述。介绍了MIMO无线链接巨大潜能的背景、原理、实现MIMO优点的各种技术和算法及MIMO在3G中应用的问题。
    1  MIM0系统的原理
    MIMO的定义非常简单。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。当天线相互之间有足够远的距离，各根发射天线到各根接收天线之间的信号传输可以看成是相互独立的，所采用的多根天线可以称为分立式多天线，如应用于空间分集的多根天线就是这种情况。如果各根天线相互之间很近，各根发射天线到各根接收天线之间的信号传输可以看成是相关的，所采用的多根天线称为集中式多天线，如智能天线中的天线阵列。在一般的智能天线技术中，只有发信机或者收信机配备多根天线，较为典型的是基站配备多根天线，因为一般认为在基站比移动电话更能承担额外的成本和空间。传统上，智能天线的智能性体现在权重选择算法而不是编码上，基于分立式天线空时码的研究正在改变这个观点。本文讨论的MIMO技术特指基于分立式天线的MIMO技术。
    MIMO的思想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。因此，MIMO成功的主要原因是，MIMO可以极大地提高无线通信性能，不需要以频谱为代价。MIMO技术还促使了其它很多领域的进步，如信道建模、信息论和编码、信号处理、天线设计、固定网和移动网的多天线蜂窝设计。
    1.1MIMO系统的具体模型
    数字信源以二进制数据流形式进入一个发射模块，这个模块包括错误控制编码功能和映射复调制符号功能。映射功能产生几个单独的符号流，这几个符号流之间可以是独立的、部分冗余的或完全冗余。每个符号流映射到其中一根发射天线上。映射可能会包括天线元的线性空间加权或者线性天线空时预编码。经过上频转换、滤波和放大，信号发射到无线信道。接收端使用多根天线捕获信号。为了恢复消息，进行解调和去映射操作。在选择编码和天线映射算法时，智能层次、复杂度和先验信道信息认识有很大的不同，这依赖于具体应用。
    1.2实现MIMO优点的各种技术和算法
    贝尔实验室最早提出了基于空间复用的分层空时码技术，它可在中高信噪比下实现最高达30b/s/Hz的传输效率。1998年Tarokh提出了空时格码技术，它把编码调制与分集综合考虑，提出了构造准静态瑞利衰落信道下满分集增益和高编码增益的系列准则。为了减少接收端复杂度，Tarokh等又提出了空时分组码技术。空时分组码技术在发送端对几个连续发送符号作简单的正交编码，接收端只要采用线性合并就可以获得最大似然译码，实现最大的发送分集增益。以上提到的几种技术各有优缺点。
    2  3G中的MIMO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。对MIMO进行补充的许多技术用来改进吞吐量、性能和频谱效率，正引起研究人员的高度重视，特别是那些对3G增强的技术，例如高速数字分组接入(HSDPA)、自适应调制与编码、混合ARQ等等。但至今为止，MIMO在蜂窝系统中还很少商业实现。除了多人单出的纯发分集方案，目前3G还没有采用任何的MIMO方案。下面讨论影响MIMO系统大规模商业化的两个主要因素。
    第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。这是因为目前手机设计的趋势是把天线放入盖子里以改进外表的吸引力，这就使得间隔的要求近乎苛刻。
    第二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。由于MIMO接收机环境的时延扩展带来的不同信道条件可能还需要均衡和干扰消除的处理，可能会进一步加大接收机的复杂度。
    3  结束语
    本文回顾了用于未来无线网络的MIMO技术的原理及其在3G中的应用。信息论表明MIMO的实现可以带来巨大的容量和性能增益。在实际中是完全还是部分获得容量和性能增益依赖于收发信号处理算法的合理设计。另外，要让MIMO算法成功用于商业标准依赖于在速率最大化和分集方案之间很好的折衷。还有，MIMO的成功还需要对更多更具体的MIMO信道进行良好的建模。
    作者：叶卓映  耿国桐  吴伟陵