移動通信中的MIMO技術(shù)

摘要：未來的新一代移動通信系統(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，是未來移動通信系統(tǒng)中最富有競爭力的技術(shù)之一。詳細介紹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)和移動通信飛速發(fā)展，在第三代蜂窩移動通信中已經(jīng)部分地引入了無線因特網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)。而在新一代移動通信系統(tǒng)（即所謂的Ｂｅｙｏｎｄ ３Ｇ或４Ｇ）中，人們對傳輸速率提出了更高的要求，這就需要采用更先進的技術(shù)來實現(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。實驗室的研究證明，采用ＭＩＭＯ技術(shù)在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達到２０？４０ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ；而使用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動蜂窩中的頻譜效率僅為１？５ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ，在點到點的固定微波系統(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越來越多的關(guān)注，已經(jīng)被認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發(fā)射天線和接收天線，而傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)是單進單出（ＳＩＳＯ）系統(tǒng)，基于發(fā)射分集和接收分集的多進單出（ＭＩＳＯ）方式和單進多出（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。貝爾實驗室的Ｅ．Ｔｅｌａｔａｒ和Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ分別獨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立衰落，系統(tǒng)容量將會隨發(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，Ｆｏｓｃｈｉｎｉ還開發(fā)了用于ＭＩＭＯ系統(tǒng)的實際發(fā)射／接收算法，這就是著名的貝爾實驗室分層空時碼（ＢＬＡＳＴ）算法[２]。后來另外一個突破性的方案，即空時編碼的思想由ＡＴ＆Ｔ實驗室提出[３]，它可以提高ＭＩＳＯ和ＭＩＭＯ系統(tǒng)的分集增益。這些信號處理方案可以提高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)人員進行更深入的研究。

一、 MIMO技術(shù)

ＭＩＭＯ技術(shù)實質(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ＭＩＭＯ信道所進行的研究也主要圍繞這兩個方面。空間復(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數(shù)據(jù)通道（ＭＩＭＯ子信道）發(fā)射信號，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)用的實現(xiàn)如圖１所示，首先將需要傳送的信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成幾個平行的信號流？并且在同一頻帶上使用各自的天線同時傳送，由于多徑傳播？每一副發(fā)射天線針對接收端產(chǎn)生一個不同的空間信號，接收方利用信號不同來區(qū)分各自的數(shù)據(jù)流。實現(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)端各個子信道是獨立衰落的不相關(guān)信道。

實現(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－貝爾實驗室分層空時碼（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，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相互干擾造成的錯誤最小，盡管它降低了信號分離的質(zhì)量，但具有較好的抗噪性能。最大似然算法接收性能最好，但是計算復(fù)雜性高。

ＢＬＡＳＴ是一種可以實現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法。１９９６年Ｆｏｓｃｈｉｎｉ提出對角－貝爾實驗室分層空時碼（Ｄ－ＢＬＡＳＴ）算法，但是由于算法的復(fù)雜度太大，很難實際應(yīng)用。１９９８年由Ｆｏｓｃｈｉｎｉ和Ｇ．Ｇｏｌｄｅｎ提出Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法不是對所有的發(fā)送信號一起解碼，而是首先對最強的信號解碼，然后在接收到的信號中減去這個最強的信號，再對剩余信號中的最強信號解碼，再減去這個信號，這樣依次進行，直到所有的信號都被譯出。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為ＳＩＭＯ系統(tǒng)是接收分集，ＭＩＳＯ系統(tǒng)是發(fā)射分集。無線信號在復(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。如果兩個位置間距大于天線之間的相關(guān)距離（通常相隔十個信號波長以上），就認為兩處的信號完全不相關(guān)，這樣就可以實現(xiàn)信號空間分集接收�？臻g分集一般用兩副或者多副大于相關(guān)距離的天線同時接收信號，然后在基帶處理中將多路信號合并。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保持同相，然后相加。選擇分集合并接收中，簡單地選擇眾多信號中的一個質(zhì)量最好的天線的信號，并使用該信號作為接收到的信號。由于最大比率合并之后信號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擔從終端轉(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，具體是采用空時編碼（參見文獻［３？５］）�？諘r碼（ＳＴＣ）是信道編碼設(shè)計和多發(fā)射天線的結(jié)合，由ＡＴ＆Ｔ 實驗室的Ｔａｒｏｋｈ等人提出。空時碼在將數(shù)據(jù)分成ｎ個數(shù)據(jù)子流在Ｎ副天線上同時發(fā)射時，建立了空間分離信號（空域）和時間分離信號（時域）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，這些空時碼方案可以獲得相同的分集增益。除了分集增益以外，好的空時碼還可以獲得一定的編碼增益。

基于分集發(fā)射的空時碼可以分為空時格碼（ＳＴＴＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｔｒｅｌｌｉｓ Ｃｏｄｅ）和空時塊碼（ＳＴＢＣ：Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ Ｂｌｏｃｋ Ｃｏｄｅ）�？諘r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，實現(xiàn)難度較大。Ｓ．Ｍ．Ａｌａｍｏｕｔｉ在文獻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)射分集增益而不會損失分集增益，這可以認為是空時塊碼的原始模型。在這個基礎(chǔ)上Ｔａｒｏｋｈ提出了空時塊碼，正交設(shè)計理論的空時塊碼性能稍遜于空時格碼，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)過空時編碼的信號經(jīng)過多條相關(guān)性較小的無線信道到達接收端，接收端通常需要知道各無線信道參數(shù)，即信道估計，可以使用基于導(dǎo)頻訓(xùn)練序列進行信道估計，也可以使用盲估計。

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，可以認為是雙天線分集的進一步擴展。另外，在３ＧＰＰ的ＷＣＤＭＡ協(xié)議中，涉及到了六種分集發(fā)射方法：空時分集發(fā)射（ＳＴＴＤ：Ｓｐａｃｅ Ｔｉｍｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）、時間切換分集發(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，可以通過兩個甚至三個基站同時向一個移動臺發(fā)射同樣的信號，這是宏分集發(fā)射；同樣，接收時通過相鄰的基站進行分集接收（多個基站接收），即進行宏分集接收。
 
 　�。停桑停霞夹g(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。

三、MIMO技術(shù)的研究方向

過去的十幾年中，ＭＩＭＯ技術(shù)已經(jīng)取得相當大的進展，但是在實際的系統(tǒng)中要達到ＭＩＭＯ理論上的容量增加仍然有許多技術(shù)難點。這些技術(shù)難點也是目前ＭＩＭＯ技術(shù)的研究熱點，下面就對這些熱點問題進行介紹。

１． 信道建模和信道容量

研究ＭＩＭＯ技術(shù)時必須考慮信道模型。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滿秩矩陣。實現(xiàn)ＭＩＭＯ系統(tǒng)實際增益的關(guān)鍵在于建立更準確的信道模型，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；接收信號的角度擴散；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)計特性應(yīng)該與現(xiàn)場實測的數(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，而實際上應(yīng)該考慮多徑，考慮衰落之間的相關(guān)性對信道容量的影響。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)，這樣更貼近實際ＭＩＭＯ信道。

２． ＭＩＭＯ系統(tǒng)的信號設(shè)計和信號處理

對于實際可用的ＭＩＭＯ系統(tǒng)，首先應(yīng)考慮ＭＩＭＯ信道的識別，也就是信道估計，可以使用盲或者非盲的信道估計；其次要考慮對于已知信道應(yīng)如何設(shè)計最佳發(fā)送信號，盡可能設(shè)計出適合于大多數(shù)信道模型的通用信號，還可以考慮采用針對ＭＩＭＯ信道的前向糾錯編碼；最后是接收端的信號處理，接收信號處理對應(yīng)信號設(shè)計，如果使用最優(yōu)的發(fā)送信號方案，可以大大簡化對接收信號的處理。一旦發(fā)送方案確定，就可以確定各種接收端的結(jié)構(gòu)，當前的研究熱點是考慮信號處理結(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。前者的目標是利用ＢＬＡＳＴ算法使數(shù)據(jù)速率最大，后者是利用空時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)一起來或者進行折中，將會是一個很好的研究方向。

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擾（ＩＳＩ），所以一般采用時域上的均衡來抵抗多徑效應(yīng)，這一點已在現(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、使用標準數(shù)字處理技術(shù)易于實現(xiàn)等優(yōu)點，因此應(yīng)用ＯＦＤＭ＋ＭＩＭＯ也是一個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應(yīng)用領(lǐng)域無疑是新一代基于包交換的無線移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)（即Ｂｅｙｏｎｄ ３Ｇ／４Ｇ），當然目前的ＭＩＭＯ還有相當?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、擴大小區(qū)覆蓋范圍、提高傳輸質(zhì)量；設(shè)計利用ＭＩＭＯ信道實現(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)用在由于用戶移動造成的快速時變信道中；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

目前，很多國家都已經(jīng)開始新一代移動通信系統(tǒng)的研究，新一代移動通信系統(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)是未來移動通信中極具競爭力的技術(shù)，不但為固定無線接入技術(shù)帶來革命性的變化，而且將對無線蜂窩系統(tǒng)產(chǎn)生深遠的影響。