MIMO：新一代移動(dòng)通信核心技術(shù)

　　多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，信號(hào)通過發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善每個(gè)用戶的服務(wù)質(zhì)量（誤比特率或數(shù)據(jù)速率）。MIMO技術(shù)對(duì)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。目前，各國已開始或者計(jì)劃進(jìn)行新一代移動(dòng)通信技術(shù)（后3G或者4G）的研究，爭(zhēng)取在未來移動(dòng)通信領(lǐng)域內(nèi)占有一席之地。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來移動(dòng)通信寬帶和無線接入融合系統(tǒng)成為當(dāng)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(diǎn)介紹MIMO技術(shù)的五大研究熱點(diǎn)。

　　MIMO信道的建模和仿真

　　為了更好地利用MIMO技術(shù)，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(shù)情況下都具有一定的空間相關(guān)性，而不是相互獨(dú)立的。在2001年11月的3GPP會(huì)議中，朗訊、諾基亞、西門子和愛立信公司聯(lián)合提出了標(biāo)準(zhǔn)化MIMO信道的建議。3GPP和3GPP2推薦的鏈路級(jí)MIMO信道的建模方法有兩個(gè)：基于相關(guān)（Corrlration－Based）的方法和基于子徑（EAGC－A14H）的方法。盡管3GPP和3GPP2對(duì)鏈路級(jí)的信道參數(shù)進(jìn)行了定義，但是對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)并沒有達(dá)成共識(shí)。研究信道的相關(guān)性對(duì)系統(tǒng)容量的影響成為MIMO技術(shù)的研究方向之一。

　　另外，目前對(duì)MIMO系統(tǒng)的研究都是假定在理想信道條件下進(jìn)行的，而實(shí)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(yīng)的，因此要進(jìn)行信道估計(jì)。由于在MIMO系統(tǒng)中進(jìn)行信道估計(jì)時(shí)，天線之間存在著干擾，因此，研究在天線之間存在干擾時(shí)的信道估計(jì)方法也是目前研究的熱點(diǎn)。

　　MIMO系統(tǒng)的天線選擇技術(shù)

　　因?yàn)槎嗵炀�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(diǎn)且低價(jià)格、低復(fù)雜度的最優(yōu)天線子集選擇技術(shù)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(zhǔn)則從M根發(fā)送天線中選擇MS根天線用于發(fā)送信號(hào)，同樣在接收端從N根接收天線中選擇NS根用于接收信號(hào)，這樣就構(gòu)成了選擇的MS×NS的MIMO系統(tǒng)。一般來說，與多天線的應(yīng)用對(duì)應(yīng)，選擇準(zhǔn)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(zhì)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(hào)處理

　　早期關(guān)于MIMO技術(shù)的研究大多數(shù)還集中在單用戶點(diǎn)到點(diǎn)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(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)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(shù)難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)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(shí)的容量問題（最大化和信息速率）或用以滿足每個(gè)用戶特定QoS的功率控制問題（最小化發(fā)射功率）。雖然對(duì)于一般的多用戶MIMO信道，這兩個(gè)問題都沒有閉環(huán)解決方案，但是強(qiáng)加某些特定的限制時(shí)可以得到閉環(huán)解決方案。最常見的包括：塊對(duì)角化、逐次最優(yōu)化、波束成形法以及結(jié)合空時(shí)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(jīng)非常清楚，但是如何讓容量域滿足各種用戶對(duì)傳輸速率的要求，仍然沒有很好地解決。從結(jié)構(gòu)來看，這是一個(gè)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(jì)算量會(huì)非常龐大，必須尋找簡(jiǎn)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(quán)值一樣）的優(yōu)化問題，有文獻(xiàn)已經(jīng)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(jié)構(gòu)，利用矩陣?yán)碚摵屯箖?yōu)化理論快速迭代求解。但是這種特殊情況對(duì)于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)來說沒有太大的意義，因?yàn)閷?shí)際網(wǎng)絡(luò)中不同用戶位于網(wǎng)絡(luò)中的不同位置，采用相同速率加權(quán)值的做法會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶的傳輸速率得不到保證，所以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期傳輸速率比較低的用戶給予較大的速率加權(quán)值以提高該用戶的傳輸速率。而在引入優(yōu)先級(jí)后，采用多用戶和容量的傳輸準(zhǔn)則就不適用了，必須采用加權(quán)和容量的準(zhǔn)則，不同用戶速率的加權(quán)體現(xiàn)了用戶的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高，用戶速率加權(quán)值越大，反之亦然。對(duì)于這種情況下的調(diào)度策略以及用戶速率分配策略，利用高斯標(biāo)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)的凸優(yōu)化理論，但是由于這時(shí)需要優(yōu)化的參數(shù)為各個(gè)用戶發(fā)送天線上的輸入?yún)f(xié)方差矩陣，采用標(biāo)準(zhǔn)算法會(huì)非常復(fù)雜，即使利用矩陣行列式最優(yōu)化算法也會(huì)非常復(fù)雜。因此，研究最大化高斯矢量多址信道的加權(quán)和容量算法也是MIMO技術(shù)的研究熱點(diǎn)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(duì)于可退化（degraded）的廣播信道，比如單天線的廣播信道，已經(jīng)有了其容量域以及各個(gè)用戶的速率分配方法。近年來，對(duì)于多天線廣播信道容量域的研究也取得了很大進(jìn)展。其中，DPC技術(shù)是解決多天線廣播信道容量域問題的關(guān)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(shù)通過在發(fā)送端設(shè)計(jì)加權(quán)矢量，使不同用戶的信號(hào)完全正交，設(shè)計(jì)加權(quán)矢量的準(zhǔn)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(shù)的擴(kuò)展技術(shù)包括聯(lián)合信道對(duì)角化、擾動(dòng)的預(yù)信道均衡等。