MIMO技術(shù)原理、概念、現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

　　多入多出(MIMO)或多發(fā)多收天線(MTMRA)技術(shù)是無線移動(dòng)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(dòng)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(shí)際上多進(jìn)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(duì)無線移動(dòng)通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動(dòng)的奠基工作則是90年代由AT&T Bell實(shí)驗(yàn)室學(xué)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(duì)角-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等討論了用于多入多出的空時(shí)碼；1998年Wolniansky等人采用垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(V-BLAST)算法建立了一個(gè)MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗(yàn)中達(dá)到了20 bit/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(shí)現(xiàn)。這些工作受到各國(guó)學(xué)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-Input Multiple-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(duì)于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multi-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(duì)于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個(gè)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(duì)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(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci(k)，I=1，……，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。






圖1 多入多出系統(tǒng)原理




　　特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)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(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過這些并行空間信道獨(dú)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(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)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(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。



　　系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對(duì)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(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)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(hào)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(shí)，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?jī)H隨天線數(shù)的對(duì)數(shù)增加而增加。相對(duì)而言，多入多出對(duì)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(shí)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(shí)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(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。常見的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼�？諘r(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。



　　MIMO研究狀況



　　目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)于MIMO的理論、性能、算法和實(shí)現(xiàn)的各方面正廣泛進(jìn)行研究。在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面已有一批文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)涉及相當(dāng)廣泛的內(nèi)容。但是由于無線移動(dòng)通信MIMO信道是一個(gè)時(shí)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(xiàn)大多假定信道為分段-恒定衰落信道。這對(duì)于寬帶信號(hào)的4G系統(tǒng)及室外快速移動(dòng)系統(tǒng)來說是不夠的，因此必須采用復(fù)雜的模型進(jìn)行研究。已有不少文獻(xiàn)在進(jìn)行這方面的工作，即對(duì)信道為頻率選擇性衰落和移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)情況進(jìn)行研究。再有，在基本文獻(xiàn)中，均假定接收機(jī)精確已知多徑信道參數(shù)，為此，必須發(fā)送訓(xùn)練序列對(duì)接收機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練。但是若移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度過快，就使得訓(xùn)練時(shí)間太短，這樣快速信道估計(jì)或盲處理就成為重要的研究?jī)?nèi)容。



　　另外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步。實(shí)際系統(tǒng)研究的一個(gè)重要問題是在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)多天線和多路接收，學(xué)者們正大力進(jìn)行這方面的研究。由于移動(dòng)終端設(shè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。



　　Bell實(shí)驗(yàn)室的BLAST系統(tǒng)[4]是最早研制的MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9 GHz，發(fā)射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。頻譜利用率達(dá)到了25.9 bits/(Hz·s)。但該系統(tǒng)僅對(duì)窄帶信號(hào)和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了研究，對(duì)于在3G、4G應(yīng)用尚有相當(dāng)大距離。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀�提供多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)受到衰落。在上述具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，每一基臺(tái)各設(shè)置2副發(fā)送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設(shè)置1副發(fā)送天線和3副接收天線，即下行通路設(shè)置2×3天線、上行通路設(shè)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(yīng)地加大了系統(tǒng)容量。而且，基臺(tái)的兩副發(fā)送天線于必要時(shí)可以用來傳輸不同的數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶傳送的數(shù)據(jù)速率可以加倍。



　　朗訊科技的貝爾實(shí)驗(yàn)室分層的空時(shí)（ＢＬＡＳＴ）技術(shù)是移動(dòng)通信方面領(lǐng)先的ＭＩＭＯ應(yīng)用技術(shù)，是其智能天線的進(jìn)一步發(fā)展。BLAST技術(shù)就其原理而言，是利用每對(duì)發(fā)送和接收天線上信號(hào)特有的“空間標(biāo)識(shí)”，在接收端對(duì)其進(jìn)行“恢復(fù)”。利用BLAST技術(shù)，如同在原有頻段上建立了多個(gè)互不干擾、并行的子信道，并利用先進(jìn)的多用戶檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)準(zhǔn)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(shí)采用多天線陣，更能夠充分利用多徑傳播，達(dá)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(gè)數(shù)成線性增長(zhǎng)，也就是說，只要允許增加天線個(gè)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(duì)于無線通信理論的突出貢獻(xiàn)，BLAST技術(shù)獲得了2002年度美國(guó)Thomas Edison（愛迪生）發(fā)明獎(jiǎng)。2002年10月，世界上第一顆BLAST芯片在朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)室問世，貝爾實(shí)驗(yàn)室研究小組設(shè)計(jì)小組宣布推出了業(yè)內(nèi)第一款結(jié)合了貝爾實(shí)驗(yàn)室Layered Space 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(dá)到19.2Mbps。該技術(shù)用于移動(dòng)通信，BLAST芯片使終端能夠在3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同時(shí)還計(jì)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，Airgo Networks推出了AGN100 Wi-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(shí)保持與所有常用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)(包括TGi安全和TGe質(zhì)量的服務(wù)功能)。 Airgo的芯片組和目前的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持802.11a, "b,"和"g"模式，使用三個(gè)5-GHz和三個(gè)2.4-GHz天線，使用Airgo芯片組的無線設(shè)備可以和以前的802.11設(shè)備通訊，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設(shè)備通訊的同時(shí)還可以以108Mbps的速度和Airgo的設(shè)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(dòng)通信技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中炙手可熱的課題。



　　
摘自　移動(dòng)通信在線