MIMO：新一代移動(dòng)通信核心技術(shù)

多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，信號(hào)通過(guò)發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善每個(gè)用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量(誤比特率或數(shù)據(jù)速率)。MIMO技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無(wú)線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。目前，各國(guó)已開(kāi)始或者計(jì)劃進(jìn)行新一代移動(dòng)通信技術(shù)(后3G或者4G)的研究，爭(zhēng)取在未來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域內(nèi)占有一席之地。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)移動(dòng)通信寬帶和無(wú)線接入融合系統(tǒng)將成為熱門(mén)的研究課題，而MIMO系統(tǒng)是人們研究較多的方向之一。

為了更好地利用MIMO技術(shù)，必須深入研究MIMO信道特性，尤其是空間特性。與傳統(tǒng)信道不同的是，MIMO信道大多數(shù)情況下具有一定的空間相關(guān)性，而不是相互獨(dú)立的。在2001年11月的3GPP會(huì)議中，朗訊、諾基亞、西門(mén)子和愛(ài)立信公司聯(lián)合提出了標(biāo)準(zhǔn)化MIMO信道的建議。3GPP和3GPP2推薦的鏈路級(jí)MIMO信道的建模方法有兩個(gè)：基于相關(guān)(Corrlration-Based)的方法和基于子徑(EAGC-A14H)的方法。盡管3GPP和3GPP2對(duì)鏈路級(jí)的信道參數(shù)進(jìn)行了定義，但是對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。研究信道的相關(guān)性對(duì)系統(tǒng)容量的影響成為MIMO技術(shù)的研究方向之一。

早期關(guān)于MIMO技術(shù)的研究大多數(shù)集中在單用戶(hù)點(diǎn)到點(diǎn)的環(huán)境中，而沒(méi)有考慮其他用戶(hù)的共信道干擾。最近，人們將研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到多用戶(hù)MIMO信道中。在多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的下行鏈路中采用空分多址(SCDMA)可以給系統(tǒng)吞吐量帶來(lái)可觀的收益。這樣的多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)發(fā)射向量以消除用戶(hù)間共信道的干擾。典型的“最佳問(wèn)題”包括功率受限時(shí)的容量問(wèn)題(最大化和信息速率)或用以滿足每個(gè)用戶(hù)特定QoS的功率控制問(wèn)題(最小化發(fā)射功率)。雖然對(duì)于一般的多用戶(hù)MIMO信道，這兩個(gè)問(wèn)題都沒(méi)有閉環(huán)解決方案，但是強(qiáng)加某些特定的限制時(shí)可以得到閉環(huán)解決方案。最常見(jiàn)的包括：塊對(duì)角化、逐次最優(yōu)化、波束成形法以及結(jié)合空時(shí)編碼來(lái)消除多用戶(hù)之間的干擾。

從理論上來(lái)說(shuō)，多天線多址系統(tǒng)的容量域已經(jīng)非常清楚，但是如何讓容量域滿足各種用戶(hù)對(duì)傳輸速率的要求，仍然沒(méi)有很好地解決。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，這是一個(gè)非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題，采用傳統(tǒng)的凸優(yōu)化方法雖然可以解決，但是計(jì)算量會(huì)非常龐大，必須尋找簡(jiǎn)單快速的方法。在某些特殊情況下，比如，多用戶(hù)和容量(所有用戶(hù)的速率加權(quán)值一樣)的優(yōu)化問(wèn)題，有文獻(xiàn)已經(jīng)提出了非常有意義的多用戶(hù)注水迭代算法，這種方法充分利用了原始優(yōu)化問(wèn)題的結(jié)構(gòu)，利用矩陣?yán)碚摵屯箖?yōu)化理論快速迭代求解。但是這種特殊情況對(duì)于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)沒(méi)有太大的意義，因?yàn)閷?shí)際網(wǎng)絡(luò)中不同用戶(hù)位于網(wǎng)絡(luò)的不同位置，采用相同速率加權(quán)值的做法會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶(hù)的傳輸速率得不到保證，所以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期傳輸速率比較低的用戶(hù)給予較大的速率加權(quán)值以提高該用戶(hù)的傳輸速率。

由于存在天線間和用戶(hù)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(duì)于可退化(degraded)的廣播信道，比如單天線廣播信道，已經(jīng)有了其容量域以及各個(gè)用戶(hù)的速率分配方法。近年來(lái)，對(duì)于多天線廣播信道容量域的研究也取得了很大進(jìn)展。其中，DPC技術(shù)是解決多天線廣播信道容量域問(wèn)題的關(guān)鍵。