4G移动通信中的MIMO技术

金锦江 郑茜茜

(温州医学院信息与工程学院，浙江 温州 325035)

4G移动通信中的MIMO技术

金锦江 郑茜茜

(温州医学院信息与工程学院，浙江 温州 325035)

主要介绍了4G移动通信系统中的核心技术——多输入多输出（MIMO）的概念，并从单用户MIMO和多用户MIMO的理论与技术进行分析及对比。最后给出了MIMO技术今后的发展方向。

MIMO；单用户MIMO；多用户MIMO

（一）引言

上海世博园区向媒体开放体验全球首个TD-LTE规模演示网时，4G时代已悄然临近。而多输入多输出技术（Multiple-Input Multiple-Output），即 MIMO是近年来在无线通讯技术领域极受关注的技术，4G移动通信系统就采用了MIMO技术。从以往的2G移动通信系统到目前火热的3G系统均没有采用MIMO。在目前的移动通信系统里，一发两收是大多数基站天线采用的结构。而MIMO技术用多个天线构成的天线阵列取代基站现有的单天线。事实上，MIMO技术能运用于4G系统，也是因为它能较为简单并且直接地在传统蜂窝移动通信系统上进行改进和使用。

（二）MIMO技术概述

MIMO技术，即在基站端和移动台同时放置多个天线，使得基站和移动台这两者之间能够形成MIMO的通信链路。这种技术根据发射端和接收端的天线数目，可以分为单输入多输出（single-input multiple-output，SIMO）、多输入单输出（Single- output Multiple- input，MISO）或MIMO。

SU-MIMO，即单用户MIMO，是一种基站与单移动台间的点对点多天线链路的技术。与之相对的还有MU-MIMO，即多用户MIMO，它是通过同一个频域与时域同时为多个移动台提供与基站通信的技术。它与单用户MIMO的。与较熟悉的自适应天线阵列相比它不一定需要平坦开阔的无线通信环境。总的来说，多输入多输出技术有以下优点：“ISI（码间干扰）明显降低；空间分集增益得到提高；无线信道容量和频谱利用率得到提高；降低误码率，信道的可靠性得到提高；资料的传输速率也大幅提升”。

本文中，我们把默认基站，即发射机有 X个发送天线；移动台，即用户设备（UE）有Y个接收天线。用X×Y阶信道矩阵H表示X中一个天线与Y中一个天线的传输模型。

1.单用户MIMO技术

（1）最优功率分配

SU-MIMO复用的最优方案，是基于信道矩阵的SVD（奇异分解值）发射和接收波束成形使用的，它把MIMO信道分成了多个子信道，称之为“特征信道”，这些“特征信道”相互并行且互不干扰。

“特征信道最优功率分配的原理是‘不’等价于SNR”，它并不与SNR（信噪比）呈一定比例关系，而是选择为较好的特征行道分配更多的功率，对较差的，对信道传输贡献不大的特征信道注入的功率很小，甚至根本不为其分配功率。如图1。

因此在现实中，信息速率不得不与获得更多功率的特征信道的 SNR匹配，但这完全通过与流相适的调制和编码方案（MCS）来调整并解决。

图1 最优功率分配注水原理

（2）单天线的波束成形

这里的单天线分为发射机单天线或接收机单天线，但MIMO信道都只能表现出单个特征信道，因此多个数据流的复用不可能。

在“接收波束成形”上，X=1且Y ＞1（假设单流），即一个发送天线和 Y个接收天线的模型。在这种模型中，发射机发射一个 QAM符号，接收机接收并且获得信道估计后，可以选择设置波束成形向量跟干扰源的信道正交，有效地抵消了干扰信号，用MRC（最大比合并）自身Y个接收天线接收的信号，从而使接收机能最大程度地接收SNR。与X、Y均为1，即发送接收天线都只有一个的模型相比，最大比合并使得接收机在接收SNR上提高Y倍，实现MIMO信道的阵列增益，即链路预算上101g（M）dB。

在“发射波束成形”上，X＞1且 Y =1，即一个接收天线和X个发送天线的模型。在这种模型中，发射机发射一个QAM符号后，再“通过到反馈链路为发射机提供X×1阶的发射波束成形矢量”。如果将发射端的信道信息设定为最理想的值，可以通过发射MRC的方法来得到最大的SNR，在此处，可以把发射 MRC当成匹配预滤波器来看待，它和“接收波束成形”一样，使平均SNR提高了101（N）dB倍。

（3）发射机无信道信息的空间复用

当X＞1和Y＞1，即X个发送天线和Y个接收天线的模型时，假设Y≥X，且发射的X个流对应各自不同的天线。发射机在没有有关 H的信息的情况下，就不能通过反馈信道向接收机提供信道信息，因而不能靠预编码器来设计空间复用的方案。发射机方面无法下手，只有从接收机方面考虑。而事实上，已经有两种恢复符号矩阵的检测技术：线性以及非线性检测。线性检测技术的复杂度较低，即在接收端将多个波束形成矢量进行叠加，叠加时考虑其各自对应的单波束成形效果及合并时各个流间的干扰，这里通常可以使用迫零接收机（Zero-Forcing）将接收到的 X个数据流间的干扰抵消掉。非线性检测器更为先进，但相对的复杂度也就更高。以 MLD检测器为例，它尝试对接收信号的所有流，用穷尽搜索的方法来找出其中可能性最大的子集。

“复用增益相当于对频谱效率的倍乘因子”，是由给定方案方提供。但是要想有MIMO的复用增益，要求“不同的发射和接收天线的空域特征能完全解相关且线性独立”，简单的说就是要求不同的发射机通过不同的独立数据流，向不同接收机发射。只有这样才能让信道矩阵 H处于良态，甚至可逆。显而易见的，对于天线基站和用户设备（UE），他们间独立的数据个数，不能超过它们中最小的天线数，即满足min（Y，X）。举例来说，双天线的UE与6个天线基，它们间的SU-MIMO通信至多只能有两个独立的数据流，但这已经比单数据流的传输速率快了一倍。

2.多用户MIMO技术

（1）单用户和多用户MIMO的比较

在多用户MIMO（MU-MIMO）中，一个小区中可能有U个用户设备（UE）可以使用，但在同一时间使用的只有 K个，一般情况下，K≤U。若假设每个UE有J个天线，那么正在工作的天线数就是Y =KJ个。通常来说这里UE天线的数量Y是远大于小区中的基站数X的，如此在不考虑合并干扰的前提下，多用户MIMO系统的通信过程中，独立的数据流个数受到基站数的限制。另一方面，从单个工作状态中的UE的角度来看，UE的天线数J通常远小于基站数X，如此到单个UE的独立数据流个数则是受到UE的天线数量限制。举例来说，单天线的UE最多能复用X个独立的数据流，但双天线的UE能复用2X个独立的数据流。而单用户MIMO（SU-MIMO）要想复用X个独立的数据流，必须在每个UE上安装X个天线。

不难看出，对于多用户MIMO，即使用户设备（UE）只有很少的天线，但仍能完美的进行MIMO的空间复用。因此在多用户 MIMO系统中更加着重基站的建设，通常基站要对从 UE发送来的信号进行“接收波束成形”并对向UE发送的信号进行“发射波束成形”。

信道的模型不一样也是单用户MIMO和多用户MIMO一个基本的区别。单用户MIMO的“天线空域特性间的解相关需要多径传播或使用正交极化”，而多用户MIMO因为UE间隔比波长大出许多，所以对不同UE的解相关并不需要人为干预。

（2）单天线UE技术

现在讨论MU-MIMO系统中的单天线UE，即小区中存在Y个单天线UE，此时的上行链路设计方案与SU-MIMO中X＞1、Y＞1的情况十分相似，不能采用预编码器。这是因为用户终端不能彼此协作，同时也没有上行链路，或者说发射信道，的信道信息。从单个UE的角度看，它并不知道其他UE的工作情况及传输信息。这是因为基站向UE发射时采用了发射波束成形，为每个UE都发送了空域特性，从而将数据分别传送到了要传送的UE上。

（3）多天线UE技术

多天线UE技术可以由单天线UE技术推广而来。这里有两种方法解决多天线UE的问题。其中一种是将多出的天线当作虚拟的UE，并且允许这个虚拟的UE与其他UE对信道进行共享，从而能使原本的多天线UE接收或发送多个数据流。另外一种方法是在不增加UE和基站间的连路数目的要求下，对多天线UE的多个数据流进行时空编码，即在不同时隙内使用同一天线发射不同信号。而在基站方面可对数据流一最大合并比合并。

（三）MIMO技术的发展

MIMO技术作为未来一代宽带无线通信系统的框架技术，通过近几年的持续发展，已经应用于各个方面，基于MIMO的无线通信理论和传输技术显示出了巨大的潜力。但是在实际的系统中要达到 MIMO理论上的容量增加仍然有许多技术难点。比如如何解决MIMO系统的多径效应问题，常用方法是与OFDM技术相结合。随着人类对高质量的无线通信系统的需求不断提高，MIMO技术在通信系统中的实际应用将不断促进MIMO技术的进一步发展。

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TN929.5

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1008-1151(2011)05-0050-02

2011-01-26

金锦江（1989－），男，浙江上虞人，温州医学院信息与工程学院在读生；郑茜茜（1978－），女，浙江温州人，温州医学院信息与工程学院讲师。