多入多出（MIMO）技術(shù)祥解

多入多出(MIMO)或多發(fā)多收天線(MTMRA)技術(shù)是無線移動通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是新一代移動通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。

那么MIMO技術(shù)究竟是怎樣的？

實際上多進多出（ＭＩＭＯ）技術(shù)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(shù)用于通信系統(tǒng)，但是對無線移動通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)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(tǒng)，在室內(nèi)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(tǒng)中極難實現(xiàn)。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(fā)展。

一句話，MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put）系統(tǒng)就是利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO（Single-InputSingle-Output）系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO（Single-InputMulti-ple-Output）系統(tǒng)和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統(tǒng)。

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(jié)果表明，對于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)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(tǒng)的原理圖。傳輸信息流s(k)經(jīng)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(fā)射出去，經(jīng)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(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。

特別是，這N個子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應獨立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)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(shù)據(jù)率必然可以提高。

MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。

系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，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(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。相對而言，多入多出對于提高無線通信系統(tǒng)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(shù)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(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用ＭＩＭＯ技術(shù)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(shù)領(lǐng)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�？諘r碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現(xiàn)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(xiàn)的各方面正廣泛進行研究。

在MIMO系統(tǒng)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(nèi)容。但是由于無線移動通信MIMO信道是一個時變、非平穩(wěn)多入多出系統(tǒng)，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(tǒng)及室外快速移動系統(tǒng)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(shù)，為此，必須發(fā)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(nèi)容。

另外實驗系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步。實際系統(tǒng)研究的一個重要問題是在移動終端實現(xiàn)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(tǒng)。

Bell實驗室的BLAST系統(tǒng)[4]是最早研制的MIMO實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9GHz，發(fā)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(tǒng)僅對窄帶信號和室內(nèi)環(huán)境進行了研究，對于在3G、4G應用尚有相當大距離。在發(fā)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?shù)亩喔碧炀�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(tǒng)中，每一基臺各設置2副發(fā)送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設置1副發(fā)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(tǒng)容量。而且，基臺的兩副發(fā)送天線于必要時可以用來傳輸不同的數(shù)據(jù)信號，用戶傳送的數(shù)據(jù)速率可以加倍。

朗訊科技的貝爾實驗室分層的空時（ＢＬＡＳＴ）技術(shù)是移動通信方面領(lǐng)先的ＭＩＭＯ應用技術(shù)，是其智能天線的進一步發(fā)展。BLAST技術(shù)就其原理而言，是利用每對發(fā)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(shù)，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(shù)，同時準確高效地傳送用戶數(shù)據(jù)，其結(jié)果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLAST技術(shù)證明，在天線發(fā)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(tǒng)容量。理論研究業(yè)已證明，采用BLAST技術(shù)，系統(tǒng)頻譜效率可以隨天線個數(shù)成線性增長，也就是說，只要允許增加天線個數(shù)，系統(tǒng)容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術(shù)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(shù)獲得了2002年度美國ThomasEdison（愛迪生）發(fā)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(yè)內(nèi)第一款結(jié)合了貝爾實驗室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技術(shù)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(shù)據(jù)速率達到19.2Mbps。該技術(shù)用于移動通信，BLAST芯片使終端能夠在3G移動網(wǎng)絡中接收每秒19.2兆比特的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在，朗訊科技已經(jīng)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(quán)終端制造商使用該BLAST芯片，以提高無線3G數(shù)據(jù)終端支持高速數(shù)據(jù)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(shù)的批量上市產(chǎn)品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術(shù)，將現(xiàn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，使制造商可以只使用一片RF芯片實現(xiàn)單天線系統(tǒng)，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(zhì)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(tǒng)頻譜利用率方面卓越的性能表現(xiàn)，多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)已經(jīng)成為移動通信技術(shù)發(fā)展進程中炙手可熱的課題。