移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)

摘要：未來的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（４Ｇ）需要提供極高的數(shù)據(jù)速率，在有限的頻譜下提供盡可能高的傳輸速率，這就需要采用高頻譜利用率技術(shù)。在理想情況下，多進(jìn)多出（ＭＩＭＯ）技術(shù)可以隨著天線數(shù)目的增大而線性增大信道容量，具有極高的頻譜利用率，是未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中最富有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一。詳細(xì)介紹ＭＩＭＯ技術(shù)中的空間復(fù)用和分集，并給出了ＭＩＭＯ技術(shù)的研究方向。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信，ＭＩＭＯ，４Ｇ，空間復(fù)用，空間分集

最近十年來，因特網(wǎng)和移動(dòng)通信飛速發(fā)展，在第三代蜂窩移動(dòng)通信中已經(jīng)部分地引入了無線因特網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)。而在新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（即所謂的Ｂｅｙｏｎｄ ３Ｇ或４Ｇ）中，人們對(duì)傳輸速率提出了更高的要求，這就需要采用更先進(jìn)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。然而頻譜資源總是有限的，要支持高速率就要開發(fā)具有極高頻譜利用率的無線通信技術(shù)。最近的研究表明，多進(jìn)多出（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ － Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）技術(shù)可以顯著提高無線系統(tǒng)的頻譜利用率。實(shí)驗(yàn)室的研究證明，采用ＭＩＭＯ技術(shù)在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到２０？４０ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ；而使用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動(dòng)蜂窩中的頻譜效率僅為１？５ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ，在點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有１０？１２ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ。ＭＩＭＯ技術(shù)作為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段得到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，已經(jīng)被認(rèn)為是新一代無線傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

ＭＩＭＯ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，而傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)是單進(jìn)單出（ＳＩＳＯ）系統(tǒng)，基于發(fā)射分集和接收分集的多進(jìn)單出（ＭＩＳＯ）方式和單進(jìn)多出（ＳＩＭＯ）方式也是ＭＩＭＯ的一部分。ＭＩＭＯ并不是一門新技術(shù)，早在１９０８年馬可尼就提出用ＭＩＭＯ方式來抵抗無線信道的衰落。貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ｅ．Ｔｅｌａｔａｒ和Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ分別獨(dú)立地在他們各自的論文［１］和［２］中論證了理論上的ＭＩＭＯ信道的香農(nóng)容量。他們指出，使用Ｎ×Ｍ信道矩陣描述Ｍ副發(fā)射天線和Ｎ副接收天線系統(tǒng)的無線信道，如果Ｎ×Ｍ信道矩陣的元素間具有理想的獨(dú)立衰落，系統(tǒng)容量將會(huì)隨發(fā)射方和接收方天線數(shù)中最小一方的天線數(shù)ｍｉｎＮＭ的增加而線性增加。這可以在ＳＩＳＯ基礎(chǔ)上成倍地增加系統(tǒng)容量。同時(shí)，Ｆｏｓｃｈｉｎｉ還開發(fā)了用于ＭＩＭＯ系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)射／接收算法，這就是著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)碼（ＢＬＡＳＴ）算法[２]。后來另外一個(gè)突破性的方案，即空時(shí)編碼的思想由ＡＴ＆Ｔ實(shí)驗(yàn)室提出[３]，它可以提高ＭＩＳＯ和ＭＩＭＯ系統(tǒng)的分集增益。這些信號(hào)處理方案可以提高ＭＩＭＯ系統(tǒng)的容量，因而吸引了大量的研究開發(fā)人員和工程技術(shù)人員進(jìn)行更深入的研究。

一、 MIMO技術(shù)

ＭＩＭＯ技術(shù)實(shí)質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益，目前針對(duì)ＭＩＭＯ信道所進(jìn)行的研究也主要圍繞這兩個(gè)方面�？臻g復(fù)用技術(shù)可以大大提高信道容量，而空間分集則可以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。

１． 空間復(fù)用技術(shù)

空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多副天線？充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個(gè)數(shù)據(jù)通道（ＭＩＭＯ子信道）發(fā)射信號(hào)，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。這種信道容量的增加不需要占用額外的帶寬，也不需要消耗額外的發(fā)射功率，因此是提高信道和系統(tǒng)容量一種非常有效的手段。

空間復(fù)用的實(shí)現(xiàn)如圖１所示，首先將需要傳送的信號(hào)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成幾個(gè)平行的信號(hào)流？并且在同一頻帶上使用各自的天線同時(shí)傳送，由于多徑傳播？每一副發(fā)射天線針對(duì)接收端產(chǎn)生一個(gè)不同的空間信號(hào)，接收方利用信號(hào)不同來區(qū)分各自的數(shù)據(jù)流。實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用必須要求發(fā)射和接收天線之間的間距大于相關(guān)距離，這樣才能保證收發(fā)端各個(gè)子信道是獨(dú)立衰落的不相關(guān)信道。

實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用的接收端的解碼算法有迫零算法（ＺＦ）、最小均方誤差算法（ＭＭＳＥ）、垂直－貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)碼（Ｖ－ＢＬＡＳＴ）算法和最大似然算法（ＭＬ）。迫零算法是一種線性接收方法，可以很好地分離同頻信號(hào)，但是需要有較高的信噪比才能保持較好的性能。另一種線性接收算法是最小均方誤碼算法，該算法可以使由于噪聲和同頻信號(hào)相互干擾造成的錯(cuò)誤最小，盡管它降低了信號(hào)分離的質(zhì)量，但具有較好的抗噪性能。最大似然算法接收性能最好，但是計(jì)算復(fù)雜性高。

ＢＬＡＳＴ是一種可以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法。１９９６年Ｆｏｓｃｈｉｎｉ提出對(duì)角－貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)碼（Ｄ－ＢＬＡＳＴ）算法，但是由于算法的復(fù)雜度太大，很難實(shí)際應(yīng)用。１９９８年由Ｆｏｓｃｈｉｎｉ和Ｇ．Ｇｏｌｄｅｎ提出Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法不是對(duì)所有的發(fā)送信號(hào)一起解碼，而是首先對(duì)最強(qiáng)的信號(hào)解碼，然后在接收到的信號(hào)中減去這個(gè)最強(qiáng)的信號(hào)，再對(duì)剩余信號(hào)中的最強(qiáng)信號(hào)解碼，再減去這個(gè)信號(hào)，這樣依次進(jìn)行，直到所有的信號(hào)都被譯出。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法是算法復(fù)雜度和譯碼性能綜合考慮下一種最優(yōu)的譯碼算法。

２． 發(fā)送分集和接收分集

空間分集技術(shù)可以分為接收分集和發(fā)射分集兩類，通�？梢哉J(rèn)為ＳＩＭＯ系統(tǒng)是接收分集，ＭＩＳＯ系統(tǒng)是發(fā)射分集。無線信號(hào)在復(fù)雜的無線信道中傳播產(chǎn)生Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落，在不同空間位置上其衰落特性不同。如果兩個(gè)位置間距大于天線之間的相關(guān)距離（通常相隔十個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)以上），就認(rèn)為兩處的信號(hào)完全不相關(guān)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)空間分集接收�？臻g分集一般用兩副或者多副大于相關(guān)距離的天線同時(shí)接收信號(hào)，然后在基帶處理中將多路信號(hào)合并。在ＳＩＭＯ系統(tǒng)中的接收分集技術(shù)可以分成最大比率合并（ＭＲＣ）、等增益合并（ＥＧＣ）和選擇分集合并（ＳＤＣ）三種類型。在最大比率合并的接收中，每一副天線的輸出用一個(gè)復(fù)數(shù)加權(quán)，然后相加；等增益合并接收使各副天線的輸出信號(hào)保持同相，然后相加。選擇分集合并接收中，簡(jiǎn)單地選擇眾多信號(hào)中的一個(gè)質(zhì)量最好的天線的信號(hào)，并使用該信號(hào)作為接收到的信號(hào)。由于最大比率合并之后信號(hào)的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。

發(fā)射分集就是將分集的負(fù)擔(dān)從終端轉(zhuǎn)移到基站端，然而采用發(fā)射分集的主要問題是在發(fā)射端不知道衰落信道的信道狀態(tài)信息（ＣＳＩ）。因此，必須采用信道編碼以保證各信道具有良好的性能，具體是采用空時(shí)編碼（參見文獻(xiàn)［３？５］）�？諘r(shí)碼（ＳＴＣ）是信道編碼設(shè)計(jì)和多發(fā)射天線的結(jié)合，由ＡＴ＆Ｔ 實(shí)驗(yàn)室的Ｔａｒｏｋｈ等人提出�？諘r(shí)碼在將數(shù)據(jù)分成ｎ個(gè)數(shù)據(jù)子流在Ｎ副天線上同時(shí)發(fā)射時(shí)，建立了空間分離信號(hào)（空域）和時(shí)間分離信號(hào)（時(shí)域）之間的關(guān)系，而且在采用最大比率接收合并（ＭＲＲＣ）技術(shù)接收時(shí)，這些空時(shí)碼方案可以獲得相同的分集增益。除了分集增益以外，好的空時(shí)碼還可以獲得一定的編碼增益。

基于分集發(fā)射的空時(shí)碼可以分為空時(shí)格碼（ＳＴＴＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｔｒｅｌｌｉｓ Ｃｏｄｅ）和空時(shí)塊碼（ＳＴＢＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｂｌｏｃｋ Ｃｏｄｅ）�？諘r(shí)格碼有較好的性能，但其譯碼復(fù)雜度與傳輸速率成指數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)難度較大。Ｓ．Ｍ．Ａｌａｍｏｕｔｉ在文獻(xiàn)３中論證了通過一定的信道編碼可以將１×２的接收分集增益，轉(zhuǎn)換成２×１的發(fā)射分集增益而不會(huì)損失分集增益，這可以認(rèn)為是空時(shí)塊碼的原始模型。在這個(gè)基礎(chǔ)上Ｔａｒｏｋｈ提出了空時(shí)塊碼，正交設(shè)計(jì)理論的空時(shí)塊碼性能稍遜于空時(shí)格碼，但其譯碼復(fù)雜度很低，還可能得到最大的分集發(fā)射增益。經(jīng)過空時(shí)編碼的信號(hào)經(jīng)過多條相關(guān)性較小的無線信道到達(dá)接收端，接收端通常需要知道各無線信道參數(shù)，即信道估計(jì)，可以使用基于導(dǎo)頻訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)，也可以使用盲估計(jì)。

二、MIMO技術(shù)的應(yīng)用

目前，朗訊、松下、金橋和ＮＴＴ ＤｏＣｏＭｏ等公司都在積極倡導(dǎo)ＭＩＭＯ天線系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。在３ＧＰＰ的高速下行分組接入方案（ＨＳＰＤＡ）中提出了使用ＭＩＭＯ天線系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在發(fā)送和接收方都有多副天線，可以認(rèn)為是雙天線分集的進(jìn)一步擴(kuò)展。另外，在３ＧＰＰ的ＷＣＤＭＡ協(xié)議中，涉及到了六種分集發(fā)射方法：空時(shí)分集發(fā)射（ＳＴＴＤ：Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）、時(shí)間切換分集發(fā)射（ＴＳＴＤ：Ｔｉｍｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）、兩種閉環(huán)分集發(fā)射模式、軟切換中的宏分集，以及站點(diǎn)選擇分集發(fā)射（ＳＳＤＴ：Ｓｉｔｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｔｒａｎｓｍｉｔ）。宏分集是指在ＣＤＭＡ系統(tǒng)的軟切換過程中，可以通過兩個(gè)甚至三個(gè)基站同時(shí)向一個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射同樣的信號(hào)，這是宏分集發(fā)射；同樣，接收時(shí)通過相鄰的基站進(jìn)行分集接收（多個(gè)基站接收），即進(jìn)行宏分集接收。
 
 　　ＭＩＭＯ技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在固定寬帶無線接入領(lǐng)域中，采用ＭＩＭＯ的主要公司是Ｉｏｓｐａｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ和Ｒａｚｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ。Ｉｏｓｐａｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ的ＡｉｒＢｕｒｓｔ系統(tǒng)是基于ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ的ＦＤＤ系統(tǒng)。Ｒａｚｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ的ＳｋｙＦｉｒｅ系統(tǒng)也具有ＭＩＭＯ接口，并且可以用波束成形控制器來升級(jí)。

三、MIMO技術(shù)的研究方向

過去的十幾年中，ＭＩＭＯ技術(shù)已經(jīng)取得相當(dāng)大的進(jìn)展，但是在實(shí)際的系統(tǒng)中要達(dá)到ＭＩＭＯ理論上的容量增加仍然有許多技術(shù)難點(diǎn)。這些技術(shù)難點(diǎn)也是目前ＭＩＭＯ技術(shù)的研究熱點(diǎn)，下面就對(duì)這些熱點(diǎn)問題進(jìn)行介紹。

１． 信道建模和信道容量

研究ＭＩＭＯ技術(shù)時(shí)必須考慮信道模型。Ｆｏｓｃｈｉｎｉ、 Ｔｅｌａｔａｒ以及其他一些人士在最近發(fā)表的這方面論文中提出的ＭＩＭＯ信道模型，都是不符合實(shí)際環(huán)境的。他們都假定天線之間的信道互不相關(guān)，而且信道矩陣是一個(gè)滿秩矩陣。實(shí)現(xiàn)ＭＩＭＯ系統(tǒng)實(shí)際增益的關(guān)鍵在于建立更準(zhǔn)確的信道模型，這就必須考慮環(huán)境中無線電波的各種散射情況。同時(shí)需要考慮的因素有：發(fā)射和接收天線陣列的形狀、天線間的距離；接收信號(hào)的角度擴(kuò)散；信道衰落的模型是Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落還是Ｒｉｃｅ衰落；多徑分量；天線的極化，等等。綜合考慮上述因素，所需要的ＭＩＭＯ信道的一階和二階統(tǒng)計(jì)特性應(yīng)該與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)盡可能地吻合。

Ｆｏｓｃｈｉｎｉ給出的只是在非常理想情況下的信道容量，而實(shí)際上應(yīng)該考慮多徑，考慮衰落之間的相關(guān)性對(duì)信道容量的影響。在論文６中有ＭＩＭＯ信道容量最初始的一些研究結(jié)果，新模型的修訂使得香農(nóng)容量可以看做傳播環(huán)境的函數(shù)，這樣更貼近實(shí)際ＭＩＭＯ信道。

２． ＭＩＭＯ系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理

對(duì)于實(shí)際可用的ＭＩＭＯ系統(tǒng)，首先應(yīng)考慮ＭＩＭＯ信道的識(shí)別，也就是信道估計(jì)，可以使用盲或者非盲的信道估計(jì)；其次要考慮對(duì)于已知信道應(yīng)如何設(shè)計(jì)最佳發(fā)送信號(hào)，盡可能設(shè)計(jì)出適合于大多數(shù)信道模型的通用信號(hào)，還可以考慮采用針對(duì)ＭＩＭＯ信道的前向糾錯(cuò)編碼；最后是接收端的信號(hào)處理，接收信號(hào)處理對(duì)應(yīng)信號(hào)設(shè)計(jì)，如果使用最優(yōu)的發(fā)送信號(hào)方案，可以大大簡(jiǎn)化對(duì)接收信號(hào)的處理。一旦發(fā)送方案確定，就可以確定各種接收端的結(jié)構(gòu)，當(dāng)前的研究熱點(diǎn)是考慮信號(hào)處理結(jié)構(gòu)在性能和處理復(fù)雜性兩者之間折中。

目前針對(duì)ＭＩＭＯ信道典型的發(fā)射方案可以分成兩類：空間復(fù)用或者空間分集方案。前者的目標(biāo)是利用ＢＬＡＳＴ算法使數(shù)據(jù)速率最大，后者是利用空時(shí)編碼的思想使誤碼率最小。二者從不同的方面最大化地提高發(fā)送頻譜利用率，將二者統(tǒng)一起來或者進(jìn)行折中，將會(huì)是一個(gè)很好的研究方向。

３．與傳播相關(guān)的研究方向

由于無線信道不可避免地存在多徑傳播，它帶來的影響是碼間串?dāng)_（ＩＳＩ），所以一般采用時(shí)域上的均衡來抵抗多徑效應(yīng)，這一點(diǎn)已在現(xiàn)在的ＣＤＭＡ系統(tǒng)中得到利用。如何解決ＭＩＭＯ系統(tǒng)的多徑效應(yīng)也是一個(gè)很重要的問題，現(xiàn)在常用的方法一是在接收端做均衡處理，二是與ＯＦＤＭ技術(shù)結(jié)合。ＯＦＤＭ技術(shù)本身具有很強(qiáng)的抗多徑能力，而且ＯＦＤＭ是一種高速率的調(diào)制技術(shù)，具有靈活性高、方便操作、使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字處理技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用ＯＦＤＭ＋ＭＩＭＯ也是一個(gè)非常有前景的研究方向。

４． ＭＩＭＯ在未來網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

ＭＩＭＯ技術(shù)的巨大潛力表明其下一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域無疑是新一代基于包交換的無線移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)（即Ｂｅｙｏｎｄ ３Ｇ／４Ｇ），當(dāng)然目前的ＭＩＭＯ還有相當(dāng)?shù)木窒扌�，比如存在額外的射頻開銷、收發(fā)天線的體積較大等。目前需要做的工作是：研究開發(fā)適合蜂窩網(wǎng)絡(luò)的ＭＩＭＯ鏈路，以提高頻譜效率、擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍、提高傳輸質(zhì)量；設(shè)計(jì)利用ＭＩＭＯ信道實(shí)現(xiàn)在降低干擾和提高速率之間最優(yōu)的折中算法；ＭＩＭＯ算法如何應(yīng)用在由于用戶移動(dòng)造成的快速時(shí)變信道中；減少附加天線所帶來的干擾；基于ＭＩＭＯ的物理層和ＭＡＣ層主要功能的分析及二者之間的相互作用；多用戶情況下所引入的多址干擾，等等。

四、結(jié)語(yǔ)

目前，很多國(guó)家都已經(jīng)開始新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)可以提供高速率（１０？１００ Ｍｂｉｔ／ｓ）的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此必須采用一些具有高頻譜利用率的技術(shù)。ＭＩＭＯ技術(shù)具有極高的頻譜利用率，而且其提供的空間分集可以顯著改善無線鏈路性能，提高無線系統(tǒng)的容量和覆蓋面。因此ＭＩＭＯ技術(shù)是未來移動(dòng)通信中極具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)，不但為固定無線接入技術(shù)帶來革命性的變化，而且將對(duì)無線蜂窩系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。