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(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，信號通過發(fā)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(tǒng)的單天線系統(tǒng)來說，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數據業(yè)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(fā)展，未來移動通信寬帶和無線接入融合系統(tǒng)成為當前熱門的研究課題，而MIMO系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)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(xiàn)并沒有達成共識。研究信道的相關性對系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)點且低價格、低復雜度的最優(yōu)天線子集選擇技術極具吸引力。多天線選擇發(fā)送接收系統(tǒng)就是利用一定的準則從M根發(fā)送天線中選擇MS根天線用于發(fā)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(tǒng)。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(tǒng)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(huán)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(tǒng)的下行鏈路中采用空分多址（SCDMA）可以給系統(tǒng)吞吐量帶來可觀的增益。這樣的多用戶MIMO系統(tǒng)的技術難點在于如何設計發(fā)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(fā)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(huán)解決方案，但是強加某些特定的限制時可以得到閉環(huán)解決方案。最常見的包括：塊對角化、逐次最優(yōu)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(tǒng)在多址信道中的容量分析

　　從理論上來說，多天線多址系統(tǒng)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(yōu)化問題，采用傳統(tǒng)的凸優(yōu)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(yōu)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(yōu)化問題的結構，利用矩陣理論和凸優(yōu)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(yōu)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(xiàn)了用戶的優(yōu)先級，優(yōu)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(yōu)化算法來解決這一問題。

　　對于收發(fā)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(yōu)化理論，但是由于這時需要優(yōu)化的參數為各個用戶發(fā)送天線上的輸入協(xié)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(yōu)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(tǒng)的波束成形（BF）技術通過在發(fā)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(lián)合信道對角化、擾動的預信道均衡等。