MIMO無線技術(shù)的研究現(xiàn)狀

摘要　MIMO無線技術(shù)是通信領(lǐng)域的一項重要技術(shù)突破，堪稱新一代無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章詳細(xì)探討了MIM0無線通信技術(shù)的原理，并與智能天線技術(shù)進(jìn)行對比，分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，包括MIMO的算法開發(fā)、信道建模、天線設(shè)計、測試平臺構(gòu)建、芯片開發(fā)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展等，為深入認(rèn)識與研究MIM0通信技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

1、引言

隨著無線互聯(lián)網(wǎng)多媒體通信的快速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的容量與可靠性亟待提升，常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。采用常規(guī)發(fā)射分集、接收分集或智能天線技術(shù)已不足以解決新一代無線通信系統(tǒng)的大容量與高可靠性需求問題�？尚业氖�，結(jié)合空時處理的多天線技術(shù)——多入多出（MIMO）通信技術(shù)，提供了解決該問題的新途徑。它在無線鏈路兩端均采用多天線，分別同時接收與發(fā)射，能夠充分開發(fā)空間資源，在無需增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，成倍地提升通信系統(tǒng)的容量與可靠性。然而，與常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)相比，MIMO通信系統(tǒng)中多天線的應(yīng)用面臨大量亟待研究的問題。

2、MIMO無線通信技術(shù)

2.1　傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)向多天線系統(tǒng)演進(jìn)

傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)采用一副發(fā)射天線和一副接收天線，稱作單入單出（SISO）系統(tǒng)。SISO系統(tǒng)在信道容量上具有一個不可突破的瓶頸——Shannon容量限制。針對移動通信中的多徑衰落與提高鏈路的穩(wěn)定性，人們提出了天線分集技術(shù)。而將天線分集與時間分集聯(lián)合應(yīng)用，還能獲得空間維與時間維的分集效益。因此，從傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)向多天線系統(tǒng)演進(jìn)是無線通信發(fā)展的必然趨勢。

2.2　智能天線向多天線系統(tǒng)演進(jìn)

智能天線的核心思想在于利用聯(lián)合空間維度與天線分集，通過最優(yōu)加權(quán)合并而最大化信干噪比，使信號出錯的概率隨獨(dú)立衰落的天線單元數(shù)目呈指數(shù)減小，而系統(tǒng)容量隨天線單元數(shù)目呈對數(shù)增長。然而，開關(guān)波束陣列僅適于信號角度擴(kuò)展較小的傳播環(huán)境，且自適應(yīng)陣列雖可以用于信號角度擴(kuò)展較大的多徑傳播環(huán)境，但在高強(qiáng)度的多徑分量比較豐富的環(huán)境下，自適應(yīng)天線系統(tǒng)抗衰落的能力相當(dāng)有限，這是因為智能天線技術(shù)沒有利用多徑傳播。由于增大陣元間距與角度擴(kuò)展及結(jié)合空時處理都有利于捕獲與分離多徑，因此結(jié)合天線發(fā)射分集與接收分集技術(shù)，充分利用而不是抑制多徑傳播，進(jìn)一步開發(fā)空域資源，提高無線傳輸性能，成為了無線通信發(fā)展的必然趨勢，即從智能天線向多天線系統(tǒng)演進(jìn)。

2.3　MIMO無線通信技術(shù)

MIMO無線通信技術(shù)是天線分集與空時處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它源于天線分集與智能天線技術(shù)，具有二者的優(yōu)越性，屬于廣義的智能天線的范疇。結(jié)合天線發(fā)射分集、接收分集與信道編碼技術(shù)是無線通信發(fā)展的趨勢，在多徑傳播環(huán)境中，增大陣元間距與角度擴(kuò)展以及結(jié)合空時處理都有利于捕獲、分離與合并多徑。MIMO系統(tǒng)在發(fā)端與收端均采用多天線單元，運(yùn)用先進(jìn)的無線傳輸與信號處理技術(shù)，以及無線信道的多徑傳播，因勢利導(dǎo)，開發(fā)空間資源，建立空間并行傳輸通道。在不增加帶寬與發(fā)射功率的情況下，成倍提高無線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)速率，堪稱現(xiàn)代通信領(lǐng)域的重要技術(shù)突破。

MIMO無線通信技術(shù)已不是傳統(tǒng)智能天線，其優(yōu)勢已非常規(guī)智能天線所及。智能天線采用加權(quán)選擇算法驅(qū)動波束指向，通過將能量聚集到期望方向而提到信噪比，抑制而不是利用多徑傳播。對于MIMO系統(tǒng)，若其N副發(fā)射天線與M副接收天線的無線鏈路N×M信道矩陣的元素是完全獨(dú)立的，則系統(tǒng)的容量隨最小天線數(shù)目線性增長，而不是采用智能天線下的對數(shù)增長。理論上，對于理想的隨機(jī)信道，如果天線的空間和成本與射頻通道不受限制，MIMO系統(tǒng)就能提供無限大的容量。與MISO和SIMO系統(tǒng)相比，MIMO系統(tǒng)的容量提升幾乎難以置信，它是空間維度充分結(jié)合時間維度的結(jié)果，即采用空時編碼的數(shù)據(jù)流利用矩陣信道而不是智能天線系統(tǒng)中的向量信道傳輸數(shù)據(jù)。

MIMO技術(shù)利用了無線信道多徑傳播的固有特性：在無線通信中，如果在發(fā)送端與接收端同時采用多天線系統(tǒng)，只要各天線單元間距足夠大，無線信道散射傳播的多徑分量足夠豐富，各對發(fā)一收天線單元間的多徑衰落就趨于獨(dú)立，即各對等效的發(fā)一收天線間的無線傳輸信道趨于獨(dú)立，這些同頻率、同時間、同信道特征碼的子信道趨于相互正交。N×M的MIMO系統(tǒng)的框圖見圖1。發(fā)射數(shù)據(jù)流s被分離為N路子數(shù)據(jù)流，在調(diào)制與射頻前端處理后以相同的頻率分別經(jīng)N副天線同時發(fā)射出去。經(jīng)無線信道的散射傳播，這些并行子流從不同路徑到達(dá)接收機(jī)，由M副天線接收，接收機(jī)采用先進(jìn)的信號處理技術(shù)對各接收信號聯(lián)合處理，可恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)流。 

圖1　MIMO無線通信系統(tǒng)框圖

3、MIMO無線通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀與趨勢

自從1995年Telatar推導(dǎo)出多天線高斯信道容量、1996年Foschini提出BLAST算法、1998年Tarokh等提出空時編碼以來，MIMO無線通信技術(shù)的研究如雨后春筍般涌現(xiàn)。至2005年年底，IEEE數(shù)據(jù)庫收錄該領(lǐng)域的研究論文已達(dá)數(shù)千篇，從MIMO無線通信技術(shù)的理論研究到實驗驗證，再到商用化的各個方面。目前，國際上很多科研院校與商業(yè)機(jī)構(gòu)都爭相對MIMO通信技術(shù)進(jìn)行深入研究，其研究現(xiàn)狀如下。

3.1　MIMO算法開發(fā)

雖然理論分析結(jié)果表明MIMO無線技術(shù)能夠極大地提高系統(tǒng)容量與可靠性，但僅有分析是不夠的，更為重要的是開發(fā)誤碼性能與復(fù)雜度折衷的傳輸方案以獲取MIMO系統(tǒng)的實際性能增益。大量MIMO算法企圖同時充分獲取分集與復(fù)用增益，因此可將MIMO算法方案分為兩大類。

第一類是分集最大化方案，即空時編碼（STC）方案。天線分集可以對抗信道衰落，提高無線鏈路的可靠性，并且聯(lián)合應(yīng)用多維天線分集與時間分集，可以獲得更好的分集效果，即通過空時編碼而增加傳輸?shù)目諘r冗余信息，從而提高無線傳輸?shù)姆�(wěn)健性。在延時發(fā)射分集的基礎(chǔ)上，Tarokh等提出了空時格形碼（STTC），它具有卷積碼的特征，并將格形編碼、調(diào)制與發(fā)射分集結(jié)合在一起，在不增加帶寬的情況下，可以同時獲得滿分集與高編碼增益。它利用某種格形圖，將同一信息從多副天線發(fā)射出去，在接收端采用基于歐式距離的Viterbi譯碼，其復(fù)雜度很高，且隨傳輸速率呈指數(shù)增加，但其性能較好，抗衰落能力強(qiáng)。隨后，各種空時編碼得到快速發(fā)展，如Turbo空時格形碼與級聯(lián)空時碼等。然而，空時編碼的盛行實際是從空時分組碼（STBC）的發(fā)現(xiàn)開始的，因為STBC的構(gòu)造比較容易。由于發(fā)射信號兩兩正交，收端可采用線性最大似然檢測，其譯碼簡單。STBC的性能只與分集階有關(guān)，它可以獲得滿分集增益，但是沒有編碼增益，其抗衰落性能較差，尤其是抗快衰落性能很差，因此，更適于微小區(qū)或微微小區(qū)環(huán)境。

第二類為數(shù)據(jù)率最大化方案，即復(fù)用方案，因為MIMO系統(tǒng)的多天線也可實現(xiàn)空間復(fù)用。無線信道的多徑傳播增加了MIMO系統(tǒng)可用的自由度，若各對收發(fā)天線路徑的衰落獨(dú)立，則空間矩陣信道創(chuàng)建了多個并行的空間傳輸通道，利用并行通道傳輸獨(dú)立的信息流，從而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率。著名的BLAST結(jié)構(gòu)，就是將待發(fā)射的信息流分解為多路并行子流，對各路獨(dú)立地進(jìn)行編碼、調(diào)制與映射到其對應(yīng)的發(fā)射天線上，在收端采用迫零或迫零結(jié)合干擾消除等技術(shù)將多路子數(shù)據(jù)流分離。其實質(zhì)是將單路高信噪比信道分解為多路相互重疊的低信噪比信道并行傳輸，達(dá)到空間復(fù)用的目的，從而提高頻譜利用率。復(fù)用方案也可歸結(jié)為分層空時編碼結(jié)構(gòu)（LST），包括V-BLAST、D-BLAST及T-BLAST等。

然而，純粹的天線分集與純粹的復(fù)用方案并非最優(yōu)方案，因為MIMO系統(tǒng)本身的自由度在給定天線配置下是有限的，它們各自都只解決了問題的一個方面，即獲取更高的分集增益是以犧牲復(fù)用增益為代價的，反之亦然。于是，在MIMO算法開發(fā)中如何對二者進(jìn)行折衷以同時獲得分集與復(fù)用增益達(dá)到最佳的系統(tǒng)性能，成為人們追求的目標(biāo)。

另外，其他一些MIMO算法也成為MIMO算法開發(fā)的重要分支，它們確保了MIMO系統(tǒng)正常且有效地工作。

3.2　MIMO無線信道建模

MIMO系統(tǒng)利用無線信道的多徑傳播，開發(fā)空間資源，建立空間并行矩陣傳輸通道，利用空時聯(lián)合處理提高無線通信系統(tǒng)的容量與可靠性。然而，決定空時處理性能的關(guān)鍵因素在于無線傳播信道的空時特性。研究表明，只有在無線信道散射傳播的多徑分量足夠豐富的條件下，各對發(fā)-收天線單元間的多徑衰落才趨于獨(dú)立，信道矩陣才趨于滿秩；如果散射不夠豐富或天線單元間距較小等，多徑衰落將不完全獨(dú)立，信道矩陣也非滿秩，MIMO信道的空間優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮，MIMO系統(tǒng)傳輸方案的性能將下降，即信道傳播條件決定了MIMO系統(tǒng)的信道容量。一方面，需開發(fā)更加穩(wěn)健的空時處理算法，如空時編解碼、空時均衡與MIMO收發(fā)信機(jī)算法；另一方面，需開發(fā)MIMO無線信道模型以模擬各種實際信道條件、評估各種空時處理算法的相對性能、仿真與優(yōu)化設(shè)計高性能的通信系統(tǒng)。

3.3　MIMO天線設(shè)計

發(fā)射與接收多天線系統(tǒng)是MIMO無線系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響MIMO信道的性能。多天線發(fā)出的信號在無線信道中經(jīng)散射傳播而混合在一起，再經(jīng)收端多天線接收后，系統(tǒng)通過空時處理算法分離并恢復(fù)出發(fā)射數(shù)據(jù)，其性能取決于各天線單元接收信號的獨(dú)立程度，即相關(guān)性，而多天線間的相關(guān)性與散射傳播及天線特性密切相關(guān)。因此，實現(xiàn)MIMO系統(tǒng)的高性能除依賴于多徑傳播的豐富度外，還依賴于多天線單元的合理設(shè)計。

MIMO無線系統(tǒng)的多天線，一方面，其天線單元間距較大，必須具有分集功能，不同于常規(guī)智能天線；另一方面，各天線單元應(yīng)該盡可能接收各方向的散射達(dá)波，因此也不同于常規(guī)分集天線。天線單元數(shù)目、天線單元間距與天線安裝位置等都是至關(guān)重要的因素。比如，對于基站天線，其天線數(shù)目限制較小，但由于安裝位置較高而散射擴(kuò)展較小，要求天線單元間距較大；對于便攜終端天線，其數(shù)目與位置要求都較嚴(yán)；對于手機(jī)天線，天線數(shù)目與間距要求尤為嚴(yán)格。實驗表明，由于散射傳播環(huán)境不同，提供空間低相關(guān)的衰落信號所需要的天線單元間距也不一樣。比如，偏遠(yuǎn)地區(qū)的宏小區(qū)環(huán)境可能需要若干個波長間隔才能獲得天線解相關(guān)，而豐富散射的室內(nèi)環(huán)境可能只需半個波長間距。對于極化域而言，交叉極化耦合度決定了能否提供極化分集，或能否提供近似正交的并行信道，因此，MIMO多天線的設(shè)計是與傳播環(huán)境和天線的安裝位置緊密相關(guān)的。

3.4　MIMO測試平臺搭建與MIMO芯片開發(fā)

1998年貝爾實驗室開創(chuàng)性的實驗驗證了V-BLAST的可行性，隨之引發(fā)了對MIMO技術(shù)的廣泛研究，進(jìn)而促使人們開發(fā)MIMO測試平臺進(jìn)行信道測試。MIMO無線傳輸技術(shù)發(fā)展至今，理論日漸成熟，而現(xiàn)場測試亟待進(jìn)行。開發(fā)測試平臺進(jìn)行現(xiàn)場測試對于MIMO通信技術(shù)邁向?qū)嵱没�具有重要意義。先進(jìn)的多天線系統(tǒng)測試平臺，不但可以探測各種傳播環(huán)境下的MIMO信道特征，驗證信號處理算法性能，而且有助于評估算法實時實現(xiàn)的可行性。這些測試平臺也是進(jìn)行新技術(shù)研究與實際系統(tǒng)開發(fā)的重要基地。國外很多研究機(jī)構(gòu)紛紛進(jìn)行實驗平臺開發(fā)與外場測試，并有大量實驗結(jié)果發(fā)表，如國內(nèi)電子科技大學(xué)與東南大學(xué)的室內(nèi)外MIMO實驗，國際上V-BLAST的可行性驗證實驗、IST METRA項目的室內(nèi)外實驗與BYU的室內(nèi)MIMO實驗等，它們極大地促進(jìn)了MIMO技術(shù)的發(fā)展。

隨著MIMO技術(shù)日趨成熟，為適應(yīng)市場發(fā)展，諸多無線產(chǎn)品廠商共同合作，提出各種以MIMO技術(shù)為基礎(chǔ)的解決方案，并且進(jìn)行MIMO芯片的開發(fā)。目前，主要的MIMO芯片制造商包括Airgo、Atheros、Metalink與Ralink等，一些設(shè)備制造商已將芯片用于自己的MIMO產(chǎn)品，而且Airgo開始試產(chǎn)第三代MIMO芯片，并同Linksys公司一起研發(fā)第四代產(chǎn)品�？傊�，全球的MIMO芯片市場日益壯大，為MIMO技術(shù)的商用打下基礎(chǔ)。

3.5　MIMO技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

隨著MIMO技術(shù)日趨成熟，并向?qū)嵱没�邁進(jìn)，國際上很多研究機(jī)構(gòu)已不斷推動MIMO技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，包括：MIMO無線傳播信道模型的標(biāo)準(zhǔn)化和MIMO技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

在國內(nèi)，科技部對新一代無線通信技術(shù)相當(dāng)重視，已啟動的未來通用無線通信技術(shù)研究計劃（FUTURE）分為三階段實施：在第二階段（2004.1到2005.12），B3G/4G空中接口技術(shù)研究達(dá)到相對成熟的水平，并進(jìn)行與之相關(guān)的系統(tǒng)總體技術(shù)研究（包括與無線自組織網(wǎng)絡(luò)、游牧無線接入網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通技術(shù)研究等），完成聯(lián)網(wǎng)實驗和演示業(yè)務(wù)的開發(fā)，建成具有B3G/4G技術(shù)特征的演示系統(tǒng)，向ITU提交初步的新一代無限通信體制標(biāo)準(zhǔn)；在第三階段（2006.1到2010.12），完成通用無線環(huán)境的體制標(biāo)準(zhǔn)研究及其系統(tǒng)實用化研究，開展較大規(guī)模的現(xiàn)場實驗，完成預(yù)商用系統(tǒng)的研制。

4、結(jié)束語

總之，MIMO無線通信技術(shù)日趨成熟，逐步從理論研究走向產(chǎn)品開發(fā)。MIMO技術(shù)是一項全新的技術(shù)，在其算法開發(fā)、信道建模、天線設(shè)計、測試平臺搭建、芯片開發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化方面還有大量工作有待進(jìn)行。但其銳不可當(dāng)?shù)陌l(fā)展趨勢已預(yù)示著高速無線傳輸時代的來臨。