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MIMO：新一代移動通信核心技術
MIMO：新一代移動通信核心技術
多輸入多輸出（MIMO）技術是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，信號通過發射端和接收端的多個天線傳送和接收，從而改善每個用戶的服務質量（誤比特率或數據速率）。
MIMO技術對于傳統的單天線系統來說，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數據業務。目前，各國已開始或者計劃進行新一代移動通信技術（后3G或者4G）的研究，爭取在未來移動通信領域內占有一席之地。隨著技術的發展，未來移動通信寬帶和無線接入融合系統成為當前熱門的研究課題，而MIMO系統是人們研究較多的方向之一。本文重點介紹MIMO技術的五大研究熱點。
MIMO信道的建模和仿真
為了更好地利用MIMO技術，必須深入研究MIMO信道特性，尤其是空間特性。與傳統信道不同的是，MIMO信道大多數情況下都具有一定的空間相關性，而不是相互獨立的。在2001年11月的3GPP會議中，朗訊、諾基亞、西門子和愛立信公司聯合提出了標準化MIMO信道的建議。3GPP和3GPP2推薦的鏈路級MIMO信道的建模方法有兩個：基于相關（Corrlration－Based）的方法和基于子徑（EAGC－A14H）的方法。盡管3GPP和3GPP2對鏈路級的信道參數進行了定義，但是對于如何實現并沒有達成共識。研究信道的相關性對系統容量的影響成為MIMO技術的研究方向之一。
另外，目前對MIMO系統的研究都是假定在理想信道條件下進行的，而實際上在接收端無線傳播環境中是不可能知道信道沖激響應的，因此要進行信道估計。由于在MIMO系統中進行信道估計時，天線之間存在著干擾，因此，研究在天線之間存在干擾時的信道估計方法也是目前研究的熱點。
MIMO系統的天線選擇技術
因為多天線需要多射頻RF電路，而RF又非常昂貴，因此，尋找具有MIMO天線優點且低價格、低復雜度的最優天線子集選擇技術極具吸引力。多天線選擇發送接收系統就是利用一定的準則從M根發送天線中選擇MS根天線用于發送信號，同樣在接收端從N根接收天線中選擇NS根用于接收信號，這樣就構成了選擇的MS×NS的MIMO系統。一般來說，與多天線的應用對應，選擇準則也可分為兩種：一種是以最大化多天線提供的分集來提高傳輸質量；另一種是以最大化多天線提供的容量來提高傳輸效率。
MIMO系統的信號處理
早期關于MIMO技術的研究大多數還集中在單用戶點到點的環境中，而沒有考慮其他用戶的共信道干擾。最近，人們將研究重點逐漸轉移到多用戶MIMO信道中。在多用戶MIMO系統的下行鏈路中采用空分多址（SCDMA）可以給系統吞吐量帶來可觀的增益。這樣的多用戶MIMO系統的技術難點在于如何設計發射向量以消除用戶間的共信道干擾。典型的“最佳問題”包括功率受限時的容量問題（最大化和信息速率）或用以滿足每個用戶特定QoS的功率控制問題（最小化發射功率）。雖然對于一般的多用戶MIMO信道，這兩個問題都沒有閉環解決方案，但是強加某些特定的限制時可以得到閉環解決方案。最常見的包括：塊對角化、逐次最優化、波束成形法以及結合空時編碼來消除多用戶之間的干擾。
多天線系統在多址信道中的容量分析
從理論上來說，多天線多址系統的容量域已經非常清楚，但是如何讓容量域滿足各種用戶對傳輸速率的要求，仍然沒有很好地解決。從結構來看，這是一個非線性優化問題，采用傳統的凸優化的方法雖然可以得到解決，但是計算量會非常龐大，必須尋找簡單快速的方法。在某些特殊情況下，比如，多用戶和容量（所有用戶的速率加權值一樣）的優化問題，有文獻已經提出了非常有意義的多用戶注水迭代算法，這種方法充分利用了原始優化問題的結構，利用矩陣理論和凸優化理論快速迭代求解。但是這種特殊情況對于實際網絡來說沒有太大的意義，因為實際網絡中不同用戶位于網絡中的不同位置，采用相同速率加權值的做法會導致網絡邊緣用戶的傳輸速率得不到保證，所以應對長期傳輸速率比較低的用戶給予較大的速率加權值以提高該用戶的傳輸速率。而在引入優先級后，采用多用戶和容量的傳輸準則就不適用了，必須采用加權和容量的準則，不同用戶速率的加權體現了用戶的優先級，優先級越高，用戶速率加權值越大，反之亦然。對于這種情況下的調度策略以及用戶速率分配策略，利用高斯標量多址的容量域公式以及最優化算法來解決這一問題。
對于收發端都有多根天線的高斯矢量多址信道，雖然可以采用標準的凸優化理論，但是由于這時需要優化的參數為各個用戶發送天線上的輸入協方差矩陣，采用標準算法會非常復雜，即使利用矩陣行列式最優化算法也會非常復雜。因此，研究最大化高斯矢量多址信道的加權和容量算法也是MIMO技術的研究熱點之一。
天線在廣播信道中的容量分析
由于存在天線間和用戶間干擾，所以多天線廣播信道屬于非退化（non－degraded）的廣播信道，并且其容量域一直不明確。對于可退化（degraded）的廣播信道，比如單天線的廣播信道，已經有了其容量域以及各個用戶的速率分配方法。近年來，對于多天線廣播信道容量域的研究也取得了很大進展。其中，DPC技術是解決多天線廣播信道容量域問題的關鍵。
還有一些非DPC的干擾處理方法，比如傳統的波束成形（BF）技術通過在發送端設計加權矢量，使不同用戶的信號完全正交，設計加權矢量的準則有迫零法（ZF）、最小化均方誤差法（MMSE）等。其他基于波束成形技術的擴展技術包括聯合信道對角化、擾動的預信道均衡等。
多入多出(MIMO)技術祥解
多入多出(MIMO)或多發多收天線(MTMRA)技術是無線移動通信領域智能天線技術的重大突破。該技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率，是新一代移動通信系統必須采用的關鍵技術。
那么MIMO技術究竟是怎樣的？
實際上多進多出（ＭＩＭＯ）技術由來已久，早在１９０８年馬可尼就提出用它來抗衰落。在70年代有人提出將多入多出技術用于通信系統，但是對無線移動通信系統多入多出技術產生巨大推動的奠基工作則是90年代由AT&TBell實驗室學者完成的。1995年Teladar給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia給出了一種多入多出處理算法——對角-貝爾實驗室分層空時(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等討論了用于多入多出的空時碼；1998年Wolniansky等人采用垂直-貝爾實驗室分層空時(V-BLAST)算法建立了一個MIMO實驗系統，在室內試驗中達到了20bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統中極難實現。這些工作受到各國學者的極大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速發展。
一句話，MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put）系統就是利用多天線來抑制信道衰落。根據收發兩端天線數量，相對于普通的SISO（Single-InputSingle-Output）系統，MIMO還可以包括SIMO（Single-InputMulti-ple-Output）系統和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統。
MIMO的概念
通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIMO系統來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統在發射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。圖1所示為MIMO系統的原理圖。傳輸信息流s(k)經過空時編碼形成N個信息子流ci(k)，I=1，……，N。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。
特別是，這N個子流同時發送到信道，各發射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發射接收天線間的通道響應獨立，則多入多出系統可以創造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數據率必然可以提高。
MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，從而實現高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。
系統容量是表征通信系統的最重要標志之一，表示了通信系統最大傳輸率。對于發射天線數為N，接收天線數為M的多入多出（MIMO）系統，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，并設N、M很大，則信道容量C近似為：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
其中B為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，多入多出系統的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統，其容量僅隨天線數的對數增加而增加。相對而言，多入多出對于提高無線通信系統的容量具有極大的潛力。
可以看出，此時的信道容量隨著天線數量的增大而線性增大。也就是說可以利用ＭＩＭＯ信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用ＭＩＭＯ技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。目前ＭＩＭＯ技術領域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。
MIMO研究狀況
目前，各國學者對于MIMO的理論、性能、算法和實現的各方面正廣泛進行研究。
在MIMO系統理論及性能研究方面已有一批文獻，這些文獻涉及相當廣泛的內容。但是由于無線移動通信MIMO信道是一個時變、非平穩多入多出系統，尚有大量問題需要研究。比如說，各文獻大多假定信道為分段-恒定衰落信道。這對于寬帶信號的4G系統及室外快速移動系統來說是不夠的，因此必須采用復雜的模型進行研究。已有不少文獻在進行這方面的工作，即對信道為頻率選擇性衰落和移動臺快速移動情況進行研究。再有，在基本文獻中，均假定接收機精確已知多徑信道參數，為此，必須發送訓練序列對接收機進行訓練。但是若移動臺移動速度過快，就使得訓練時間太短，這樣快速信道估計或盲處理就成為重要的研究內容。
另外實驗系統是MIMO技術研究的重要一步。實際系統研究的一個重要問題是在移動終端實現多天線和多路接收，學者們正大力進行這方面的研究。由于移動終端設備要求體積小、重量輕、耗電小，因而還有大量工作要做。目前各大公司均在研制實驗系統。
Bell實驗室的BLAST系統[4]是最早研制的MIMO實驗系統。該系統工作頻率為1.9GHz，發射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。頻譜利用率達到了25.9bits/(Hz·s)。但該系統僅對窄帶信號和室內環境進行了研究，對于在3G、4G應用尚有相當大距離。在發送端和接收端各設置多重天線，可以提供空間分集效應，克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當的多副天線提供多個空間信道，不會全部同時受到衰落。在上述具體實驗系統中，每一基臺各設置2副發送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設置1副發送天線和3副接收天線，即下行通路設置2×3天線、上行通路設置1×3天線。這樣與“單輸入/單輸出天線”SISO相比，傳輸上取得了10～20dB的好處，相應地加大了系統容量。而且，基臺的兩副發送天線于必要時可以用來傳輸不同的數據信號，用戶傳送的數據速率可以加倍。
朗訊科技的貝爾實驗室分層的空時（ＢＬＡＳＴ）技術是移動通信方面領先的ＭＩＭＯ應用技術，是其智能天線的進一步發展。BLAST技術就其原理而言，是利用每對發送和接收天線上信號特有的“空間標識”，在接收端對其進行“恢復”。利用BLAST技術，如同在原有頻段上建立了多個互不干擾、并行的子信道，并利用先進的多用戶檢測技術，同時準確高效地傳送用戶數據，其結果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLAST技術證明，在天線發送和接收端同時采用多天線陣，更能夠充分利用多徑傳播，達到“變廢為寶”的效果，提高系統容量。理論研究業已證明，采用BLAST技術，系統頻譜效率可以隨天線個數成線性增長，也就是說，只要允許增加天線個數，系統容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術有著非常大的潛力。鑒于對于無線通信理論的突出貢獻，BLAST技術獲得了2002年度美國ThomasEdison（愛迪生）發明獎。2002年10月，世界上第一顆BLAST芯片在朗訊公司貝爾實驗室問世，貝爾實驗室研究小組設計小組宣布推出了業內第一款結合了貝爾實驗室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技術的芯片，這一芯片支持最高4×4的天線布局，可處理的最高數據速率達到19.2Mbps。該技術用于移動通信，BLAST芯片使終端能夠在3G移動網絡中接收每秒19.2兆比特的數據，現在，朗訊科技已經開始將此BLAST芯片應用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同時還計劃授權終端制造商使用該BLAST芯片，以提高無線3G數據終端支持高速數據接入的能力。
2003年8月，AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi芯片組，并稱其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技術的批量上市產品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術，將現在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同時保持與所有常用Wi-Fi標準的兼容性。該產品集成兩片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一種可伸縮結構，使制造商可以只使用一片RF芯片實現單天線系統，或增加其他RF芯片提升性能。該芯片支持所有的802.11 a、b和g模式，包含IEEE 802.11工作組推出最新標準(包括TGi安全和TGe質量的服務功能)。Airgo的芯片組和目前的Wi-Fi標準兼容，支持802.11a, "b,"和"g"模式，使用三個5-GHz和三個2.4-GHz天線，使用Airgo芯片組的無線設備可以和以前的802.11設備通訊，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設備通訊的同時還可以以108Mbps的速度和Airgo的設備通訊。
憑借在提高系統頻譜利用率方面卓越的性能表現，多輸入多輸出（MIMO）技術已經成為移動通信技術發展進程中炙手可熱的課題。
4G通信中的多入多出（MIMO）技術
新一代移動通信(beyond3G/4G)將可以提供的數據傳輸速率高達100Mbit/s，甚至更高，支持的業務從語音到多媒體業務，包括實時的流媒體業務。數據傳輸速率可以根據這些業務所需的速率不同動態調整。新一代移動通信的另一個特點是低成本。這樣在有限的頻譜資源上實現高速率和大容量，需要頻譜效率極高的技術。MIMO技術充分開發空間資源，利用多個天線實現多發多收，在不需要增加頻譜資源和天線發送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。OFDM技術是多載波傳輸的一種，其多載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。
另外，OFDM將總帶寬分割為若干個窄帶子載波可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。因此充分開發這兩種技術的潛力，將二者結合起來可以成為新一代移動通信核心技術的解決方案，下面詳細介紹這兩種技術及其二者的結合方案。
MIMO技術
MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)系統，該技術最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據收發兩端天線數量，相對于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系統，MIMO還可以包括SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系統和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統。
可以看出，此時的信道容量隨著天線數量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。
利用MIMO技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實現空間復用增益的算法主要有貝爾實驗室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復雜度比較大，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF算法簡單容易實現，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復雜度最優的就是BLAST算法。該算法實際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術得出的。目前MIMO技術領域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。
OFDM技術
OFDM(正交頻分復用)技術實際上是MCM(Multi-CarrierModulation，多載波調制)的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。
結合簡要介紹OFDM的工作原理，輸入數據信元的速率為R，經過串并轉換后，分成M個并行的子數據流，每個子數據流的速率為R/M，在每個子數據流中的若干個比特分成一組，每組的數目取決于對應子載波上的調制方式，如PSK、QAM等。M個并行的子數據信元編碼交織后進行IFFT變換，將頻域信號轉換到時域，IFFT塊的輸出是N個時域的樣點，再將長為Lp的CP(循環前綴)加到N個樣點前，形成循環擴展的OFDM信元，因此，實際發送的OFDM信元的長度為Lp＋N，經過并/串轉換后發射。接收端接收到的信號是時域信號，此信號經過串并轉換后移去CP，如果CP長度大于信道的記憶長度時，ISI僅僅影響CP，而不影響有用數據，去掉CP也就去掉了ISI的影響。
OFDM技術之所以越來越受關注，是因為OFDM有很多獨特的優點：
(1)頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統高近一倍。這一點在頻譜資源有限的無線環境中很重要。OFDM信號的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。
(2)抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強，由于OFDM系統把數據分散到許多個子載波上，大大降低了各子載波的符號速率，從而減弱多徑傳播的影響，若再通過采用加循環前綴作為保護間隔的方法，甚至可以完全消除符號間干擾。
(3)采用動態子載波分配技術能使系統達到最大比特率。通過選取各子信道，每個符號的比特數以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。即要求各子信道信息分配應遵循信息論中的“注水定理”，亦即優質信道多傳送，較差信道少傳送，劣質信道不傳送的原則
(4)通過各子載波的聯合編碼，可具有很強的抗衰落能力。OFDM技術本身已經利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡器。但通過將各個信道聯合編碼，可以使系統性能得到提高。
(5)基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT來實現調制和解調，易用DSP實現。
MIMO與OFDM的結合
MIMO系統在一定程度上可以利用傳播中多徑分量，也就是說MIMO可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統依然是無能為力。目前解決MIMO系統中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術，還有一種是利用OFDM。大多數研究人員認為OFDM技術是4G的核心技術，4G需要極高頻譜利用率的技術，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在OFDM的基礎上合理開發空間資源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的數據傳輸速率。另外ODFM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔，所以系統不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網絡(SFN)可以用于寬帶OFDM系統，依靠多天線來實現，即采用由大量低功率發射機組成的發射機陣列消除陰影效應，來實現完全覆蓋。下面給出MIMO+OFDM的結合方案。
這樣在接收端接收到的第l個子載波頻率上的N個符號可以通過V-BLAST算法進行解譯碼，重復進行L次以后，NL個M-QAM符號可以被恢復出來。