MIMO原理及其在移动通信中的应用

张 明

（国家无线电监测中心乌鲁木齐监测站，乌鲁木齐 830054）

MIMO原理及其在移动通信中的应用

张 明

（国家无线电监测中心乌鲁木齐监测站，乌鲁木齐 830054）

多入多出（MIMO）或多发多收天线（MTMRA）技术，是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，该技术能在不增加带宽的情况下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统采用的关键技术。

MIMO; HSPA+; Space Multip lexing; Space Time Coding; Beam Forming

1 MIMO技术原理

MIMO又称为多入多出（Multiple-Input Multiple-Output）系统，指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。

作为MIMO的一个例子，图1给出了一个多天线系统，二进制数据流通过信道编码、调制映射过程后通过发射天线发射出去，不同的映射方式将产生不同数量的符号流，然后不同的符号流被传送到不同的天线上进行发送。映射可以是天线元素的空间加权，也可以是线性空时编码。在接收端利用多个天线接收发射信号，然后经过解调、逆映射后恢复出原始信息。

图1 多天线系统举例

采用MIMO技术可以极大地提高系统容量。根据贝尔实验室的E.Telatar和G.T.Foschini的研究结论，使用N×M信道矩阵描述M副发射天线和N副接收天线系统的无线信道，如果N×M信道矩阵的元素间具有理想的独立衰落，系统容量将会随发射方和接收方天线中最小一方的天线数Min(N,M)的增加而线性增加。这可以在SISO基础上成倍地增加系统容量。

通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，…，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。

MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N,M很大，则信道容量C近似为：C=[m in(M,N)]B lb(ρ/2)，其中，B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，m in(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说，可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。

目前的一个重要发展趋势是MIMO与OFDM技术的结合。MIMO技术中的空时编码首先是针对窄带系统提出的，目前的研究也多数局限于平坦衰落的情况。对于频率选择性衰落，若采用均衡器进行预处理，由于在多天线系统信道参数多，均衡器的运算量非常大。而OFDM技术通过划分子载波，提供了一种将频率选择性衰落变换为平坦衰落的有效办法，从而可以利用多天线系统在窄带信道中的传输方法。因此，MIMO与OFDM技术的结合，既提高了系统容量，又降低了系统复杂度，对于提高频谱利用率、节约成本十分有利。

2 MIMO的三种主要技术

当前，MIMO技术主要通过空间复用、空时编码、波束成型三种方式来提升无线传输速率及品质。

2.1 空间复用

系统将数据分割成多份，分别在发射端的多根天线上发射出去，接收端接收到多个数据的混合信号后，利用不同空间信道间独立的衰落特性，区分出这些并行的数据流，从而达到在相同的频率资源内获取更高数据速率的目的。

使用空间复用技术时，接收端必须进行复杂的解码处理。BLAST算法是Bell实验室提出的一种有效的空时处理算法，目前已广泛应用于MIMO系统中。BLAST算法分为D-BLAST算法和V-BLAST算法。D-BLAST算法是由贝尔实验室的G.J.Foschini于1996年提出。对于D-BLAST算法，原始数据被分为若干子数据流，每个子流独立进行编码，而且被循环分配到不同的发射天线。D-BLAST的好处是每个子流的数据都可以通过不同的空间路径到达接收端，从而提高了链路的可靠性，但其复杂度太大，难以实际使用。1998年G.D.Go lden和G.J.Foschini提出了改进的V-BLAST算法，该算法不再对所有接收到的信号同时解码，而是先对最强信号进行解码，然后在接收信号中减去该最强信号，再对剩余信号中最强信号进行解码，再次减去，如此循环，直到所有信号都被解出。

2.2 空时编码

在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率。空时编码通过在发射端增加信号的冗余度，使信号在接受端获得分集增益。

空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接受端获得分集增益，但空时编码方案不能提高数据率。空时编码主要分为空时格码和空时块码。空时格码在不牺牲系统带宽的条件下，能使系统同时获得分集增益和编码增益。但是当天线个数一定时，空时格码的解码复杂度随着分集程度和发射速率的增加呈指数增加；为减小接收机的解码复杂度，A lamouti提出空时块码（STBC）的概念，STBC使得接受端只需要采用简单的线形处理进行解码，从而降低了接收机的复杂度。

2.3 波束成型

系统通过多根天线产生一个具有指向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提升信号质量，减少对其他用户的干扰。波束成型技术又称为智能天线（Smart Antenna），通过对多根天线输出信号的相关性进行相位加权，使信号在某个方向形成同相叠加（Constructive Interference），在其他方向形成相位抵消（Destructive Interference），从而实现信号的增益。当系统发射端能够获取信道状态信息时（例如TDD系统），系统会根据信道状态调整每根天线发射信号的相位（数据相同），以保证在目标方向达到最大的增益；当系统发射端不知道信道状态时，可以采用随机波束成形方法实现多用户分集。

3 MIMO技术在移动通信中的应用

综合使用空间复用技术和空时编码技术，使得MIMO能够在不同的使用场景下都发挥出良好的效果，3GPP也正是因为这一点，将MIMO技术纳入了HSPA+标准（R7版本）。出于成本及性能的综合考虑，HSPA+中的MIMO采用的是2×2的天线模式：下行是双天线发射，双天线接收；上行为了降低终端的成本，缩小终端的体积，采用了单天线发射。也就是说，MIMO的效用主要只是用在下行，上行只是进行传输天线选择。HSPA+中，MIMO规定了下行的Precod ing预编码矩阵，包括四种形式：空间复用（Spatial Multiplexing）、空时块码（Space Time Block Coding）、波束成型（Beam Forming）、发射分集（Transmit Diversity）。在实际使用中，由基站根据无线环境的不同自动选择使用。在HSPA+上行方面，MIMO技术有两种天线选择方案：开环和闭环。开环方案即TSTD（时分切换传输分集），上行数据轮流在天线间交替发送，从而避免单条信道的快衰落。闭环方案中，终端必须从不同的天线发送参考符号，由基站进行信道质量测量，然后选择信道质量好的天线进行数据发送。MIMO技术能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。作为MIMO技术的发明者，阿尔卡特朗讯首先提出将MIMO技术加入3GPP标准，并积极推动MIMO技术在HSPA+的应用。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。MIMO可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损（Transmit Power Expenditure）的情况下大幅地增加系统的资料吞吐量（Throughput）及传送距离。MIMO的核心概念为利用多根发射天线与多根接收天线所提供的空间自由度来有效提升无线通信系统之频谱效率，以提升传输速率并改善通信品质。

4 结束语

MIMO技术的巨大潜力已促使其成为新一代移动通信系统的必选技术，不同MIMO技术的应用及其性能依赖于实际传播特性，对于MIMO信道的建模还有待深入研究，MIMO天线的安装也是一个挑战，基站侧由于信号扩散角度较小，需要大的空间距离来获得不相关特性，终端侧安装多天线也存在困难，另外，MIMO技术需要多个射频通道，并且需要更为复杂的基带处理技术。但我们相信，随着技术的发展和工艺的提高，MIMO技术必将在未来的移动通信系统中得到广泛的应用。

[1] 电磁频谱工程．北京：人民邮电出版社，2006.

[2] MIMO技术原理及应用．北京：人民邮电出版社，2009.

Energy Saving Measures of HF Remote Room

Zhang Ming
(Urumqi Station of The State Radio Monitoring Center, Urumqi, 830054)

Multiple input multiple output (MIMO) or multiple receive antenna (MTMRA) technology is a significant breakthrough in smart antenna technology of wireless mobile communication field. This technique can increasethe system capacity and spectrum efficiency while not increasing the bandw idth. It is the key technology in the new generation mobile communication system.

MIMO; HSPA+; Space Multiplexing; Space Time Coding; Beam Forming

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.07.008

TN 821

A

1672-7274（2014）07-0029-03

张 明，毕业于新疆大学，信息管理与信息系统专业，现在国家无线电监测中心乌鲁木齐监测站工作。