ＭＩＭＯ技術的發展

摘要：未來無線通信系統需要更高的數據傳輸速率和更好的服務質量，因此需要系統容量大幅度提高。在有限的無線頻譜資源條件下，只有極大地提高頻譜利用率才能使系統容量更高。采用多輸入多輸出(MIMO)天線技術可以滿足要求。MIMO技術的主要研究方向包括：MIMO信道、MIMO收發技術、分布式MIMO和MIMO應用。MIMO技術是無線通信領域重大的技術突破，將成為未來無線寬帶移動通信系統和無線寬帶接入系統的關鍵技術。

關鍵詞：多輸入多輸出；分布式無線通信系統；關鍵技術；體系結構

Abstract: The future wireless communications system requires higher data transmission speed and better QoS， therefore the system capacity should be greatly improved. With limited radio frequency resources， it can only be satisfied by tremendously enhancing the frequency utilization efficiency. The Multiple Input Multiple Output (MIMO) technology is a good choice. The study of MIMO includes MIMO channel， MIMO transceiver， distributed MIMO and application of MIMO. The MIMO technology is a great technological breakthrough in the domain of wireless communications， and it will become a key technology for the future broadband mobile communications system and broadband wireless access system.

Key words: multiple input multiple output; distributed wireless communication system; key technology; architecture

基金項目：國家自然科學基金項目(60496313)；教育部博士點基金項目(20020614001)

下一代無線通信系統將提供用戶更高的數據傳輸速率和更好的服務質量，系統容量需要大幅度提高，因此有限的無線頻譜資源迫使下一代無線通信技術必須極大地提高頻譜利用率。多輸入多輸出(MIMO)天線技術正適應未來無線通信技術發展的要求，近年來得到迅猛的發展。MIMO技術是指在發射端通過多個發射天線傳送信號，在接收端使用多個接收天線接收信號的無線通信技術，目前理論已經證明應用MIMO技術能極大地提高無線通信系統的性能和容量^[1]。

貝爾實驗室的Telestar和Foschini等人首先對MIMO系統的信道容量進行深入分析并提出了貝爾實驗室分層空時算法(BLAST)，隨后Tarokh等人提出了空時格碼(STTC)，Alamouti提出了空時分組碼(STBC)，使得MIMO技術的研究迅速成為無線通信領域的研究熱點。

1 MIMO信道

研究無線通信技術首先就要研究無線信道。同樣，MIMO技術的研究發展總是圍繞著人們對MIMO信道的深入研究而繼續發展。在早期的MIMO技術研究中為了簡化分析，研究者通常假設天線陣列周圍存在大量散射物，且天線元間距大于半波長，不同天線的信道衰落是不相關的^[2]，因此早期大量的研究成果在獨立信道的前提條件下完成。

隨著MIMO信道研究的發展和趨于成熟，人們發現隨著MIMO信道相關性逐漸增強，MIMO信道的容量將急劇下降。當信道存在相關性時，早期部分重要MIMO技術研究成果應用于無線通信系統中時，性能將急劇降低甚至于不能正常工作，而在現實環境中具有相關性或相關性強的MIMO信道環境大量存在。隨著MIMO技術研究的深入，人們對MIMO信道的研究也越來越考慮接近實際信道環境的MIMO信道模型。現在建立在更為真實的相關性MIMO信道模型下的MIMO技術的研究已成為主要研究發展方向，其中主要研究內容包括：

(1)MIMO信道建模

信道建模從一般的相關性信道和均勻線性陣列天線配置(ULA)的MIMO信道建模向更接近實際情況的各種無線通信環境和可能使用的不同天線配置(如ULA、均勻圓形天線陣列、均勻矩形天線陣列等)方式的MIMO信道建模方向發展，信道模型更接近真實的無線環境。

(2)MIMO信道的容量分析

容量分析從獨立信道和一般的相關性MIMO信道的容量分析向具體使用不同發射方案在各種MIMO信道條件下的容量分析方向發展，容量分析更準確。

(3)MIMO關鍵技術

關鍵技術包括各種MIMO空時編碼、信道估計、信道檢測技術，及其在各種應用環境的相關性MIMO信道下的新方法及性能分析。

2 MIMO收發技術

MIMO技術實質上是利用空間資源的信號處理技術，從信號處理方法上主要分為兩大類：一類是空間復用技術，如貝爾實驗室提出的BLAST^[3]；另一類是空間分集技術，如STBC^[4]。前期的MIMO收發技術主要圍繞空間復用和空間分集處理技術，提出了很多發射方案和信號檢測技術。發射方案主要有各種空時頻編碼、BLAST和空時頻編碼與BLAST相結合的多種發射方案。經典的接收檢測技術則包括最大似然檢測(ML)、最小均方誤差(MMSE)、迫零(ZF)、球形譯碼(SD)、垂直-貝爾實驗室分層空時算法(V-BLAST)及迭代方法等。這些傳統的收發技術還在進一步發展和完善。

MIMO技術發展以來，人們已經提出了很多的MIMO系統方案，總結這些較早的MIMO系統可以發現，它們都是在發射端未知信道狀態信息條件下從N個發射天線發射信號x₁......x_N，信號經過MIMO信道H后，N個接收天線接收信號y₁......y_N后通過各種信道估計方法獲取信道狀態信息進行檢測，這類系統可以稱為信道狀態信息接收端已知(CSIR)系統(如圖1所示，其中n₁......nN為附加白高斯噪聲)。然而對MIMO信道的研究表明，如果信道狀態信息在發射端和接收端都可以利用的話，MIMO系統的性能將進一步提高^[5]，特別是當信道狀態信息在發射端精確已知(CSIT)時(如圖2所示)，發射端可以利用已知的信道狀態信息對發射信號進行信號預處理(如圖2中w₁......w_N)，MIMO系統的性能可以達到最優。實際上信道狀態信息可以在接收端通過信道估計技術獲得。在頻分雙工(FDD)的無線通信系統中，可以利用反向信道將信道狀態信息反饋給發射端；在時分雙工(TDD)的無線通信系統中，則可以利用反向鏈路的信道信息估計值近似獲得信道狀態信息。因此，如何準確地估計信道狀態信息，如何準確地反饋信道狀態信息，如何在已知信道狀態信息條件下設計MIMO收發方案等成為MIMO技術的重要研究方向。目前這方面的研究工作已經展開，例如：MIMO預編碼技術、MIMO的發射天線選擇技術、MIMO的自適應編碼調制技術等等。

在一些實際的MIMO系統中，信道狀態信息反饋時可能存在一定的差錯或實際的MIMO信道變化太快，系統的發射端不能夠獲得完美的信道狀態信息。另一方面，在CSIT的MIMO系統中，需要反饋的信道狀態信息量隨著接收端天線數目的增加而急劇增大，但在實際MIMO系統中反向信道的容量有限，反饋的信息太多將嚴重影響系統容量。因此，部分反饋信道狀態信息或發射端部分知道信道狀態信息的MIMO收發技術更具有實際的應用價值，發射端部分知道信道狀態信息的MIMO系統成為MIMO技術重要的研究方向。已經有學者在研究發射端部分知道信道狀態信息條件下，進行發射端和接收端的聯合設計，以便最大可能地提高MIMO系統性能^[6]。目前關于發射端部分知道信道狀態信息的MIMO技術研究包括：

(1)如何有效地反饋信道狀態信息，減少需要反饋的比特數目并保證其魯棒性。

(2)發射端部分知道信道狀態信息的MIMO系統性能分析。

(3)發射端部分知道信道狀態信息的MIMO系統發射技術和接收技術的聯合設計。

有關這方面的研究已經取得了一些初步的研究成果。

3 MIMO技術的體系結構

為了提高系統容量，下一代的無線寬帶移動通信系統將會采用MIMO技術，即在基站端放置多個天線，在移動臺也放置多個天線，基站和移動臺之間形成MIMO通信鏈路。應用MIMO技術的無線寬帶移動通信系統從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類：一類是多個基站天線集中排列形成天線陣列，放置于覆蓋小區，這一類可以稱為集中式MIMO；另一類是基站的多個天線分散放置在覆蓋小區，可以稱為分布式MIMO。

MIMO技術可以比較簡單地直接應用于傳統蜂窩移動通信系統，將基站的單天線換為多個天線構成的天線陣列。如圖3所示，基站通過天線陣列與小區內的具有多個天線的移動臺進行MIMO通信。從系統結構的角度看，這樣的MIMO系統與傳統的單入單出(SISO)蜂窩通信系統相比并沒有根本的區別。

傳統的分布式天線系統^[7]可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗，能夠在小區內形成良好的系統覆蓋，解決小區內的通信死角，提高通信服務質量。最近在MIMO技術的研究中發現，傳統的分布式天線系統與MIMO技術相結合可以提高系統容量，這種新的分布式MIMO系統結構——分布式無線通信系統(DWCS)^[8]成為MIMO技術的重要的研究熱點。

在采用分布式MIMO的DWCS系統中(如圖4所示)，分散在小區內的多個天線通過光纖和基站處理器相連接。具有多天線的移動臺和分散在附近的基站天線進行通信，與基站建立了MIMO通信鏈路。這樣的系統結構不僅具備了傳統的分布式天線系統的優勢，減少了路徑損耗，克服了陰影效應，同時還通過MIMO技術顯著提高了信道容量。與集中式MIMO相比，DWCS的基站天線之間距離較遠，不同天線與移動臺之間形成的信道衰落可以看作完全不相關，信道容量更大。總體上說，分布式MIMO系統的信道容量更大，系統功耗更小，系統覆蓋性能更好，系統具有更好的擴展性和靈活性。

分布式MIMO的DWCS系統也帶來了一些新問題。移動臺和小區內鄰近的天線建立的MIMO鏈路，由于基站不同天線的位置不同，它們距離移動臺的距離不同，使得基站端的多個天線的信號到達移動臺的延時也不同，因此帶來新的研究問題。目前在這方面研究較多的是進行容量分析。除此之外的研究內容還包括：具體的同步技術、信道估計、天線選擇、發射方案、信號檢測技術等，這些問題有待于深入研究。

4 MIMO技術的應用

MIMO技術已經成為無線通信領域的關鍵技術之一，通過近幾年的持續發展，MIMO技術將越來越多地應用于各種無線通信系統。在無線寬帶移動通信系統方面，第3代移動通信合作計劃(3GPP)已經在標準中加入了MIMO技術相關的內容，B3G和4G的系統中也將應用MIMO技術。在無線寬帶接入系統中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標準也采用了MIMO技術。在其他無線通信系統研究中，如超寬帶(UWB)系統、感知無線電系統(CR)，都在考慮應用MIMO技術。

MIMO技術正從前期理論研究進入理論研究和實際應用相結合的階段。現在有很多學者正研究MIMO技術在實際應用中遇到的實現問題。隨著使用天線數目的增加，MIMO技術實現的復雜度大幅度增高，從而限制了天線的使用數目，不能充分發揮MIMO技術的優勢。目前，如何在保證一定的系統性能的基礎上降低MIMO技術的算法復雜度和實現復雜度成為學術界和業界面對的巨大挑戰。

5 結束語

MIMO技術是近十年來無線通信領域重大的技術突破，將成為未來無線寬帶移動通信系統和無線寬帶接入系統的關鍵技術。作為無線通信領域近年來發展起來的新技術，MIMO技術在通信理論上還遠沒有完善，有很多的關鍵技術需要進一步研究，MIMO技術還在繼續發展。同時，人們對高質量的無線通信系統的需求不斷催生新的應用，MIMO技術在通信系統中的實際應用將不斷促進MIMO技術的進一步發展。

6 參考文獻

[1] Foschini G J， Gans M J. On Limits of Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multiple Antennas[J]. Wireless Personal Communications， 1998，6(3):311-335.

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[4] Alamouti S M. A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 1998，16(8):1451-1458.

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[7] Saleh A A M， Rustako A J， Roman R S. Distributed Antennas for Indoor Radio Communications[J]. IEEE Trans on Communications， 1987，35(12):1245-1251.

[8] Zhou Shidong， Zhao Ming， Xu Xibin， et al. Distributed Wireless Communication System: a New Architecture for Future Public Wireless Access[J]. IEEE Communications Magazine， 2003，41(3):108-113.

收稿日期：2006-01-16

作 者 簡 介

羅濤，電子科技大學在讀博士研究生。研究方向為無線通信技術，主要包括分布式天線系統、MIMO、智能天線等。

李少謙，電子科技大學教授，博士生導師。國家“863”計劃通信技術專家組成員，長期從事移動通信與無線通信、個人通信、抗干擾通信技術研究。