MIMO無線通信技術(shù)的四大發(fā)展

　　隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，頻譜資源的嚴重不足已經(jīng)日益成為遏制無線通信事業(yè)的瓶頸。如何充分開發(fā)利用有限的頻譜資源，提高頻譜利用率，是當前通信界研究的熱點課題之一。研究證明，MIMO技術(shù)非常適用于城市內(nèi)復雜無線信號傳播環(huán)境下的無線寬帶通信系統(tǒng)使用，在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達到20-40bit/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1-5bit/s/Hz，在點到點的固定微波系統(tǒng)中也只有10-12bit/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，被認為是新一代無線通信技術(shù)的革命。

什么是MIMO技術(shù)

　　任何一個無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個無線MIMO系統(tǒng)。無線MIMO系統(tǒng)采用空時處理技術(shù)進行信號處理。在多徑環(huán)境下，無線MIMO系統(tǒng)可以極大地提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率。

　　MIMO技術(shù)實質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復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。

　　MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)�傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑影響因素變成對用戶通信性能有利的增強因素。MIMO技術(shù)有效地利用了隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務傳輸速率。MIMO技術(shù)成功之處主要是它能夠在不額外增加所占用的信號帶寬的前提下帶來無線通信的性能上幾個數(shù)量級的改善。

MIMO OFDM技術(shù)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸

　　在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個最嚴峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。OFDM通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為平坦信道，從而減小了多徑衰落的影響。而MIMO技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道同時傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就有效的增加了系統(tǒng)的傳輸速率，即由MIMO提供的空間復用技術(shù)能夠在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率。這樣，如果我們將OFDM和MIMO兩種技術(shù)相結(jié)合，就能達到兩種效果：一種是系統(tǒng)很高的傳輸速率，另一種是通過分集達到的很強的可靠性。同時，在MIMO-OFDM系統(tǒng)中加入合適的數(shù)字信號處理的算法能更好的增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　MIMO OFDM系統(tǒng)能夠同時增大空間復用技術(shù)和OFDM技術(shù)的能力，有利于增加系統(tǒng)的容量和高速率的傳輸。通過多路數(shù)據(jù)流在發(fā)送天線的同時發(fā)射，實現(xiàn)了在相同帶寬的情況下的多路空間并行信道。這樣的系統(tǒng)不僅發(fā)揮了OFDM和空間復用技術(shù)的優(yōu)勢，同時也有效的利用了空間的并行性和頻率選擇性。在接收判決一方，將接收信號轉(zhuǎn)化為若干子信號分別通過OFDM的子載波立方式。

空時編碼技術(shù)實現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸

　　最近幾年來空時編碼技術(shù)在無線通信領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。朗訊實驗室的Forchini和Gans，AT&T的Tarokh及其同事們在這方面作了關(guān)鍵性工作，率先提出了空時編碼的概念�？諘r編碼的有效工作需要在發(fā)射和接收端使用多個天線，因為空時編碼同時利用時間和空間兩維信號處理來構(gòu)造碼字，這樣才能有效抵消衰落，提高功率效率。并且能夠在傳輸信道中實現(xiàn)并行的多路傳送，提高頻譜效率。需要說明的是，空時編碼技術(shù)因為屬于空間分集的范疇，所以要求在多散射體的多徑情況下應用，天線間距應適當拉開以保證發(fā)射、接收信號的相互獨立性，以充分利用多散射體所造成的多徑(也稱之為充分多徑)。

　　空時編碼方案結(jié)合了信道編碼和多發(fā)送天線，通過空時編碼后的數(shù)據(jù)被串并轉(zhuǎn)換成n個數(shù)據(jù)流，每一路數(shù)據(jù)流經(jīng)脈沖形成、調(diào)制，然后通過n個天線同時發(fā)送到無線空間。在接收端，可以用單一天線，也可以用多個天線進行接收，每一個接收天線接收到的是n個發(fā)送信號與干擾噪聲線性的疊加(衰落系數(shù)為權(quán)重)，然后通過最大似然檢測的方法，正確地識別出發(fā)送信號�？諘r譯碼算法和信道估計技術(shù)結(jié)合以獲得分集增益和編碼增益。

　　目前，空時編碼基本上有空時分組碼(STBC)、空時格狀碼(STTC)和空時分層碼(BLAST)等多種。

智能天線技術(shù)實現(xiàn)有效的無線數(shù)據(jù)服務

　　MIMO技術(shù)的核心是空時信號處理，也就是利用在空間中分布的多個天線將時間域和空間域結(jié)合起來進行信號處理。因此，MIMO技術(shù)可以看作是智能天線的擴展。

　　在多天線技術(shù)中，最受關(guān)注的是智能天線技術(shù)，國際電聯(lián)已明確將智能天線技術(shù)作為三代以后移動通信技術(shù)發(fā)展的主要方向。智能天線通常也被稱作自適應天線，主要用于完成空間濾波和定位。從本質(zhì)上看，智能天線利用了天線陣列中各單元之間的位置關(guān)系，即利用了信號的相位關(guān)系，這是它與傳統(tǒng)分集技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。從一定意義上看，智能天線可看作是一種空分多址SDMA，在SDMA中，多個用戶可共享一個信道，這將極大地增加系統(tǒng)容量。

　　智能天線技術(shù)可以定義為：具有波束成形能力的天線陣列，可以形成特定的天線波束，實現(xiàn)定向發(fā)送和接收。智能天線可以利用信號的空間特征分開用戶信號、多址干擾以及多徑干擾信號。智能天線分為兩大類：多波束智能天線與自適應陣智能天線，簡稱多波束天線和自適應陣天線。

　　更高數(shù)據(jù)速率和越來越復雜的工作特性必然要求下一代無線通信的天線系統(tǒng)提供精確而且靈活的干擾控制。而智能天線提供了一種方案來解決困擾無線網(wǎng)絡的根本問題。因此，智能天線一定會在移動通信系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

軟件無線電實現(xiàn)MIMO無線通信的最佳選擇

　　軟件無線電是指研制出一個完全可編程的硬件平臺，所有的應用都通過在該平臺上的軟件編程實現(xiàn)。該技術(shù)將能保證各種移動臺、各種移動通信設備之間的無縫集成，并大大降低了建設成本。

　　軟件無線電與MIMO技術(shù)相結(jié)合，將根本改變其實現(xiàn)方式，實現(xiàn)無線寬帶通信的技術(shù)融合并能容納各種標準、協(xié)議，提供更為開放的接口，最終大大增加網(wǎng)絡的靈活性。在未來移動通信中，軟件無線電將改變傳統(tǒng)的觀念，給移動通信的軟件化、智能化、通用化、個人化和兼容性帶來深遠的影響，并將在本世紀形成和計算機及程控交換機相當?shù)木薮螽a(chǎn)業(yè)。

　　軟件無線電技術(shù)是最近幾年提出的一種實現(xiàn)無線通信的新體系結(jié)構(gòu)。軟件無線電技術(shù)可與MIMO技術(shù)相結(jié)合在通用芯片上用軟件實現(xiàn)專用芯片的功能，其優(yōu)勢已經(jīng)得到了充分的體現(xiàn)。軟件無線電技術(shù)的使用將會給MIMO無線通信系統(tǒng)帶來以下好處：

　　*可克服微電子技術(shù)的不足

　　*系統(tǒng)增加功能通過軟件升級來實現(xiàn)

　　*減少用戶設備費用支出

　　*可支持多種通信體制并存

　　*便于技術(shù)進步和標準升級

　　軟件無線電可以充分利用數(shù)字化射頻信號中的大量信息，評估傳輸質(zhì)量，分析信道特點，實施采用最佳接入模式，靈活分配無線資源，實現(xiàn)MIMO移動通信系統(tǒng)的動態(tài)管理和優(yōu)化。從近期發(fā)展上看，軟件無線電技術(shù)可以解決不同標準的兼容性，為實現(xiàn)全球漫游提供方便；從長遠發(fā)展上看，軟件無線電發(fā)展的目標是實現(xiàn)可以根據(jù)無線電環(huán)境的變化而自適應的配置收發(fā)信機的數(shù)據(jù)速率，調(diào)制解調(diào)方式，信道編譯碼方式，調(diào)整信道頻率、帶寬以及無線接入方式的智能化，從而更加充分的利用頻譜資源，在滿足用戶QoS要求的基礎(chǔ)上使系統(tǒng)容量達到最大。

后記

　　多入多出(MIMO技術(shù))是第三代和未來移動通信與個人通信系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率，提高傳輸質(zhì)量的重要途徑。目前，對下一代MIMO無線通信系統(tǒng)進行確切的定義還為時尚早。隨著新技術(shù)和人們的新要求不斷出現(xiàn)，MIMO無線通信技術(shù)將作相應調(diào)整和進一步發(fā)展。縱觀無線通信發(fā)展規(guī)律，我們相信，下一代M1MO無線通信系統(tǒng)的高速率、高質(zhì)量、大容量的多媒體服務，將使我們的世界更美好。