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浅谈MIMO技术一、MIMO简介MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)即是多输入多输出技术，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量（误比特率或数据速率）。MIMO系统根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系统，MIMO还可以包括MISO(Multiple-InputSingle-Output)系统和SIMO(Single-InputMultiple-Output)系统。MISO系统SIMO系统1．MIMO的发展历史实际上多进多出（MIMO）技术由来已久，早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。在70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是由AT&TBell实验室学者完成的。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法——对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码；1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速发展。至2010年年底，IEEE数据库收录该领域的研究论文已达上万篇，从MIMO无线通信技术的理论研究到实验验证，再到商用化的各个方面。目前，国际上很多科研院校与商业机构都争相对MIMO通信技术进行深入研究。2．MIMO技术特点随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。MIMO技术采用空时处理技术进行信号处理，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，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。多输入多输出（MIMO）无线通信技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。实验室的研究证明，采用MIMO技术在室内传播环境下的频谱效率可以达到20~40bit/s/Hz,而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1~5bit/s/Hz,在点到点的固定微波系统中也只有10~12bit/s/Hz。MIMO技术作为提高数据传输速率的重要手段受到人们越来越多的关注。二、MIMO技术的基本原理MIMO技术是在收发两端使用多个天线，每个收发天线之间形成一个MIMO子信道，假定发送端存在nR个发送天线，接收端有nT个接收天线，系统框图如图所示：在系统的每一个符号周期内，发送信号可以用一个nT×1的列向量x=[x1x2⋅⋅⋅xi⋅⋅⋅xnT]T表示，其中xi表示在第i个天线上发送的数据。通常我们假设信道是高斯分布的，因此，根据信息论，最优的信号分布也应该是高斯的。所以x是一个均值为零、独立同分布的高斯变量。发送信号的协方差可以表示为发送信号的功率可以表示为MIMO系统的信道用一个nR×nT的复数矩阵H描述，其中hij表示从第i个发送天线到第j个接收天线的信道衰落系数。当天线相互之间足够远的距离时，各发送天线之间到各接收天线之间的信号传输就可以看成是相互独立的，矩阵H的秩较大，理想情况下能达到满秩。如果收发天线相互之间较近，各发送天线到各接收天线之间的信号传输可以看成是相关的，矩阵H的秩较小。因此MIMO信道容量和矩阵H的大小关系密切。接收信号和噪声可以分别用两个nR×1的列向量y和n表示。n均值为0，功率为σ2。通过这样一个线性模型，接收信号可以表示为接收信号的功率可表示为对于分别配有nT根发射天线和nR根接收天线的MIMO信道，发射端在不知道传输信道的状态信息条件下，如果信道的幅度固定，则信道容量可以表示为式中的min为nT和nR的最小数，ς为信噪比，矩阵Q的定义如下：（1）全“1”信道矩阵的MIMO系统如果接收端采用相干检测合并技术，那么经过处理后的每根天线上的信号应同频同相，这时可以认为来自nT发射天线上的信号都相同，si=s,i=1,2,…,nT，第j根天线接收到的信号可表示为ri=nTsi=nTs,j=1,2,…,nR，且该天线的功率可表示为则在每根接收天线上取得的等效信噪比为nTς，因此在接收端取得的总信噪比为nTnRς。此时的多天线系统等效为某种单天线系统，但这种单天线系统相对于原来纯粹的单天线系统，取得了nTnR的分集增益，信道容量可以表示为如果接收端采用非相干检测合并技术，由于经过处理后的每根天线上的信号不尽相同，在每根接收天线上取得的信噪比仍然为接收端取得的总信噪比为nRς，此时等效的单天线系统与原来纯粹的单天线系统相比，获得了nR倍的分集增益，信道容量表示为（2）正交传输信道的MIMO系统对于正交传输的MIMO系统，即多根天线构成的并行子信道相互正交，单个子信道之间不存在相互干扰。为方便起见，假定收发两端的天线数相等（nR＝nT＝L），信道矩阵可以表示为：IL为L×L的单位矩阵，系统是为了满足功率归一化的要求而引入的，信道容量为：与原来的单天线系统相比，信道容量获得了L倍的增益，这是由于各个天线的子信道之间的耦合的结果。如果信道系数的幅度随机变化，MIMO信道的容量为一随机变量，它的平均值可以表示为式中，r为信道矩阵H得秩，r=min(nR,nT)。下图是MIMO信道容量累计概率分布曲线图，它反映了信道容量累计分布与发射和接收天线数得变换关系。仿真假定信道系数服从瑞利分布，发送天线数和接收天线数分别取1×1、3×3、5×5、7×7、9×9，信噪比仍然取10dB，迭代次数均为10000，从图中可以看到随着天线数得增加，信道容量也在不断增加。也就是说在不增加带宽和发送功率的情况下，可以利用增加收发天线数成倍地提高无线信道容量，从而使得频谱利用率成倍地提高。同时可以利用MIMO技术的空间复用增益和空间分集增益提高信道的可靠性，降低误码率，若进一步将多天线发送和接收技术与信道编码技术相结合，还可以极大地提高系统的性能。一般来说，当平均发射功率一定时，信道容量与最小的天线数成正比。因此在理论上，对于理想的随机信道，可以获得无限大的信道容量，只要能为多根天线和相应的射频链路付出足够的代价和提供更大的空间，实际上这是不可能的，因为它要受到实现方法和物理信道本身的限制。目前MIMO技术领域的研究热点之一是空时编码，空时编码技术真正实现了空分多址。空时码利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。总之MIMO技术有效利用了随机衰落和多径传播力量，在同样的带宽条件下为无线通信的性能带来改善三、空时编码MIMO系统通过多天线发送并由多天线接收实现最佳处理，可达到很高的信道容量且具有很强的抗衰落能力。这种最佳处理是通过空时编码和解码实现的，即在继续使用传统通信系统具有的时间维的基础上，通过使用多副天线来增加空间维，从而实现多维的信号处理。空时块编码（STBC）、空时格码（STTC）和分层空时码（LST）是三种常见的空时编码，其中，STBC具有良好的分集增益；STTC不仅具有优良的分集增益，还具有良好的编码增益；LST结构可获得较高的复用增益。以下主要就STBC的编码原理和译码准则进行详细地介绍。1．AlamoutiSTBC编码空时块编码（STBC）能使MIMO系统获得良好的分集增益，其本质是将信号经过正交编码后由两根天线发送，由于经过正交编码后的信号相互独立，所以在接收端可以很容易的将两路信号区别开来。在接收端只需进行简单的线性合并即可获得发送信号。以双天线为例，又称为AlamoutiSTBC编码器，其结构如下图所示。信源发出的二进制比特信息首先进行数字调制，调制为M=2m进制的符号。然后AlamoutiSTBC编码器选取连续的两个符号，根据下式映射为发送信号矩阵。天线1发送信号矩阵X的第一行，天线2发送信号矩阵的第二行。AlamoutiSTBC是在时域和空域上进行编码。令天线1和天线2的发送信号矢量分别为可以明显地看出两根天线发送的信号矢量是相互正交的，即相应地，编码矩阵的特征如下式所示：其中，I2是2×2的单位矩阵。假设接收机采用单天线接收。天线1和2所发送的信号所经历的信道响应系数分别为在接收端，相邻两个符号周期接收到的信号可以表示为其中，n1和n2表示第一个符号和第二个符号所受到的加性白高斯噪声的干扰。2．最大似然译码算法在接收端采用最大似然译码器进行译码，其结构如图：假设在接收端可以获得理想的信道估计，且每个信号落到信号星座图上的概率是等概的，则最大似然译码算法要求在信号星座图上选择一对信号来最小化与接收信号之间的欧氏距离，即将代入可得最大似然译码准则为其中，C表示调制符号对的组合，是判决统计量，表示为上式可进一步简化为由此可知，给定信道的冲激响应，则两个判决统计量分别为各自发送信号的函数。则最大似然准则可分解为独立的两个准则，即当采用MPSK调制时，对于所有的信号点，i=1,2是常量，因此，最大似然判决准则可以进一步简化为四、应用及展望1．MIMO技术的应用目前,朗讯、松下、金桥和NTTDoCoMo等公司都在积极倡导MIMO天线系统技术的应用。在3GPP(第三代协作伙伴项目)的高速下行链路分组接入方案（HighSpeedDownlinkPacketAccess,HSDPA)中提出了使用MIMO天线系统,这种系统在发送和接收方都有多副天线,可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外,在3GPP(第三代协作伙伴项目)的WCDMA(宽带码分多址)协议中,涉及到了6种分集发射方法,即空时分集发射(SpaceTimeTransmitDiversity,STTD)、时间切换分集发射(TimeSwitchedTransmitDiversity,TSTD)、两种闭环分集发射模式、软切换中的宏分集,以及站点选择分集发射(SiteSelectionDiversityTransmitSSDT)。宏分集是指在CDMA(码分多址)系统的软切换过程中,可以通过2个甚至3个基站同时向一个移动台发射同样的信号,这是宏分集发射;同样，接收时通过相邻的基站进行分集接收(多个基站接收),即进行宏分集接收。MIMO技术已经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中,采用MIMO的主要公司是IospanWireless和RazeTechnologies。IospanWireless的AirBurst系统是基于MIMO-OFDM(正交频分复用)的FDD(频分双工)系统。RazeTechnologies的SkyFir系统也具有MIMO接口,并且可以用波束成形控制器来升级。2．MIMO未来发展前景展望过去的十几年中,MIMO技术已经取得相当大的进展,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。这些技术难点也是目前MIMO技术的研究热点,主要有以下4个方面。（1）信道建模和信道容量研究MIMO技术时必须考虑信道模型和信道容量。实现MIMO系统实际增益的关键在于建立更准确的信道模型,在对MIMO信道容量进行研究时,应该考虑多径,考虑衰落之间的相关性对信道容量的影响。（2）MIMO系统的信号设计和信号处理MIMO信道的识别、对于已知信道应如何设计最佳发送信号——设计出适合于大多数信道模型的通用信号、接收端信号处理如何对应信号设计,这些都是实际可用的MIMO系统必须考虑的问题。使用最优的发送信号方案,可以大大简化对接收信号的处理。一旦发送方案确定,就可以确定各种接收端的结构,当前的研究热点是考虑信号处理结构在性能和处理复杂性两者之间折衷。（3）与传播相关的研究方向如何解决MIMO系统的多径效应是一个很重要的问题,现在常用的方法一是在接收端做