多入多出(MIMO:Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)來說，能夠大大提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。本文簡(jiǎn)要介紹了無線通信中MIMO技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)及應(yīng)用。

　　從2001年12月NTT DoKoMo開始提供3G商用業(yè)務(wù)以來，一些國(guó)家也陸續(xù)準(zhǔn)備部署3G網(wǎng)絡(luò)。與此同時(shí)，各國(guó)已開始或者計(jì)劃新一代移動(dòng)通信技術(shù)的研究，爭(zhēng)取在未來移動(dòng)通信領(lǐng)域內(nèi)占有一席之地。這里所提到的新一代移動(dòng)通信是指后3G或者4G。目前普遍認(rèn)為后3G的傳輸速率將超過100M；能夠?qū)崿F(xiàn)全球無縫漫游，有非常高的靈活性，能自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配；支持下一代internet(IPV6)，而且是全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)成本低也將是后3G的一個(gè)重要特征。隨著時(shí)勢(shì)的發(fā)展，未來移動(dòng)通信寬帶無線移動(dòng)和無線接入融合系統(tǒng)成為當(dāng)前熱門的研究課題，而MIMO(多進(jìn)多出)系統(tǒng)是人們研究較多的方向之一。

　　一、MIMO技術(shù)的概念

　　MIMO用于通信系統(tǒng)的概念早在20世紀(jì)70年代就有人提出，但是對(duì)無線移動(dòng)通信系統(tǒng)MIMO技術(shù)產(chǎn)生巨大推動(dòng)的奠基工作則是20世紀(jì)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Foshini給出了一種MIMO處理算法——D-BLAST(Diagonal-BLAST，對(duì)角BLAST)算法；1998年Tarokh等討論了用于MIMO的空時(shí)碼；1998年Wolinansky等采用V-BLAST(Vertical-BLAST，垂直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20bps/Hz以上的頻譜利用率，這在普通系統(tǒng)中是極難實(shí)現(xiàn)的。這些工作引起了各國(guó)學(xué)者的極大注意，并使得MIMO的研究得到了迅速發(fā)展。

　　多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，信號(hào)通過發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善每個(gè)用戶的服務(wù)質(zhì)量(誤比特率或數(shù)據(jù)速率)。而傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)是單進(jìn)單出(Single-InputSingle-Output，SISO)系統(tǒng)?；诎l(fā)射分集和接收分集的多進(jìn)單出(Multiple-Input Single-Output，MI2SO)方式和單進(jìn)多出(Single-InputMultiple-Output，SIMO)方式也是MIMO的一部分。

　　二、MIMO技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　作為無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)—MIMO其理論、性能、算法和實(shí)現(xiàn)的各方面均被各國(guó)學(xué)者廣泛地進(jìn)行著研究。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)多輸入多輸出系統(tǒng)，尚有大量問題需要研究。

　　空時(shí)編碼是MIMO的基本問題，現(xiàn)在已提出了不少關(guān)于MIMO及空時(shí)編碼算法。但是為了在4G等新一代系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用MIMO，在空時(shí)編碼算法研究上還有很多工作要做。新一代無線通信系統(tǒng)計(jì)劃采用空時(shí)處理技術(shù)，例如IEEE802.16.3寬帶固定無線接入標(biāo)準(zhǔn)的物理層把空時(shí)碼作為內(nèi)碼，RS碼作為外碼；歐洲WIND-FLEX項(xiàng)目研究空時(shí)處理用于室內(nèi)64～1OOMbit/s的無線自適應(yīng)MODEM。數(shù)據(jù)速率20Mbit/s、帶寬效率提高20%的空時(shí)碼是4G的重要技術(shù)之一。人們正在不斷地提出新的或改進(jìn)的空時(shí)編碼方法，以改善MIMO性能，減少空時(shí)編碼系統(tǒng)復(fù)雜性，更好地適合新一代無線通信系統(tǒng)的要求和信道實(shí)際的情況。

　　Hochwald提出了一種針對(duì)分段恒定衰落信道的新的信號(hào)調(diào)制方法——單式空時(shí)調(diào)制(Unitary Space-time Modulation)。這種方法可以在不估計(jì)信道傳輸矩陣的條件下實(shí)現(xiàn)MIMO處理。隨后，他們又將該方法推廣到連續(xù)衰落信道，提出了微分單式空時(shí)碼。Bauch提出了將Turbo碼與短空時(shí)分組碼串接；Narayanan也提出了將Turbo碼與短空時(shí)分組碼串接；Liu基于秩理論提出了全分集和全速率空時(shí)Turbo碼；Cui等研究了并行級(jí)聯(lián)Turbo空時(shí)碼；Sallathurai等針對(duì)V-BLAST的問題，提出采用軟對(duì)消方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的Turro編碼與BLAST結(jié)構(gòu)結(jié)合的MIMO處理方案。

　　為了在新一代系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用MIMO技術(shù)，就必須結(jié)合具體通信體制(多址方式、雙工方式、調(diào)制方式、常規(guī)信道編碼方式、多用戶檢測(cè)方式、波束形成方式等)進(jìn)行性能研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。近來，已有一批有關(guān)的研究結(jié)果發(fā)表。Agrawal等提出了一種OFDM與空時(shí)碼結(jié)合的MIMO方案；Goeckel等提出了用于OFDM的多維信號(hào)集；Wang等研究了在相關(guān)衰落信道情況下OFDM空時(shí)碼系統(tǒng)。

　　空時(shí)碼與信道編碼等處理的結(jié)合是空時(shí)研究的重要方向。Liu和Hanzo對(duì)空時(shí)碼與信道碼的級(jí)聯(lián)進(jìn)行了很好的闡述。

　　MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究是極為重要的內(nèi)容，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)是早研制的MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9GHz，發(fā)射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)射分支長(zhǎng)為100符號(hào)，其中20符號(hào)用于訓(xùn)練，符號(hào)率為24.3kSym2bol/s。8個(gè)發(fā)射子流均用未編碼的16QAM，達(dá)到了25.9bps/Hz的頻譜效率。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中應(yīng)用尚有相當(dāng)大的距離。

　　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，許多學(xué)者正在進(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，因而有大量工作要做。

　　三、MIMO技術(shù)的研究熱點(diǎn)

　　1、MIMO信道的建模和仿真

　　為了更好地利用MIMO技術(shù)，必須深入研究MIMO信道特性，尤其是空間特性。與傳統(tǒng)信道不同的是，MIMO信道大多數(shù)情況下都具有一定的空間相關(guān)性，而不是相互獨(dú)立的。在2001年11月的3GPP會(huì)議中，由朗訊、諾基亞、西門子和愛立信公司聯(lián)合提出了標(biāo)準(zhǔn)化MIMO信道的建議。3GPP和3GPP2推薦的鏈路級(jí)MIMO信道的建模方法有兩個(gè)：基于相關(guān)(Corrlration-Based)的方法和基于子徑(EAGC-A14H)的方法。盡管3GPP和3GPP2對(duì)鏈路級(jí)的信道參數(shù)進(jìn)行了定義，但是對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)并沒有達(dá)成共識(shí)。研究信道的相關(guān)性對(duì)系統(tǒng)容量的影響成為MIMO技術(shù)的研究方向之一。

　　另外，目前對(duì)MIMO系統(tǒng)的研究都是假定在理想信道估計(jì)條件下進(jìn)行的，而實(shí)際上在接收端無線傳播環(huán)境中是不可能知道信道沖激響應(yīng)的，因此要進(jìn)行信道估計(jì)。由于在MIMO系統(tǒng)中進(jìn)行信道估計(jì)時(shí)，天線之間存在著干擾，因此，研究在天線之間存在干擾時(shí)的信道估計(jì)方法也是目前研究的熱點(diǎn)。

　　2、MIMO系統(tǒng)的天線選擇技術(shù)

　　因?yàn)槎嗵炀€需要多射頻RF電路，而RF又非常昂貴，因此，尋找具有MIMO天線優(yōu)點(diǎn)且低價(jià)格、低復(fù)雜度的天線子集選擇技術(shù)極具吸引力。多天線選擇發(fā)送接收系統(tǒng)就是利用一定的準(zhǔn)則從M根發(fā)送天線中選擇出MS根天線用于發(fā)送信號(hào)，同樣在接收端從N根接收天線中選擇出NS根用于接收信號(hào)，這樣就構(gòu)成了選擇的MS×NS的MIMO系統(tǒng)。一般來說，與多天線的應(yīng)用對(duì)應(yīng)，選擇準(zhǔn)則也可分為兩種：一種是以化多天線提供的分集來提高傳輸質(zhì)量；另一種是以化多天線提供的容量來提高傳輸效率。

　　3、MIMO系統(tǒng)的信號(hào)處理

　　早期關(guān)于MIMO技術(shù)的研究大多數(shù)還集中在單用戶點(diǎn)到點(diǎn)的環(huán)境中，而沒有考慮其他用戶的共信道干擾。近，人們將研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到多用戶MIMO信道中來。在多用戶MIMO系統(tǒng)的下行鏈路中采用空分多址(SCDMA)可以給系統(tǒng)吞吐量帶來可觀的增益。這樣的多用戶MIMO系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)發(fā)射向量以消除用戶間的共信道干擾。典型的“問題”包括功率受限時(shí)的容量問題(化和信息速率)或用以滿足每個(gè)用戶特定QoS的功率控制問題(小化發(fā)射功率)。雖然對(duì)于一般的多用戶MIMO信道，這兩個(gè)問題都沒有閉環(huán)解決方案，但是強(qiáng)加某些特定的限制時(shí)可以得到閉環(huán)解決方案。常見的包括：塊對(duì)角化、逐次化、波束成形法以及結(jié)合空時(shí)編碼來消除多用戶之間的干擾。

　　4、多天線系統(tǒng)在多址信道中的容量分析

　　從理論上來說，多天線多址系統(tǒng)的容量域已經(jīng)非常清楚，但是如何讓容量域滿足各種條件的用戶傳輸速率集仍然沒有很好地解決。從結(jié)構(gòu)來看，這是一個(gè)非線性優(yōu)化問題，采用傳統(tǒng)的凸優(yōu)化的方法雖然可以得到解決，但是計(jì)算量會(huì)非常龐大，必須尋找簡(jiǎn)單快速的方法。在某些特殊情況下，比如，多用戶和容量(所有用戶的速率加權(quán)值一樣)的優(yōu)化問題，有文獻(xiàn)已經(jīng)提出了非常有意義的多用戶注水迭代算法，這種方法充分利用了原始優(yōu)化問題的結(jié)構(gòu)，利用矩陣?yán)碚摵屯箖?yōu)化理論快速迭代求解。但是這種特殊情況對(duì)于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)來說沒有太大的意義，因?yàn)閷?shí)際網(wǎng)絡(luò)中不同用戶位于網(wǎng)絡(luò)中的不同位置，采用相同速率加權(quán)值的做法會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶的傳輸速率得不到保證，所以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期傳輸速率比較低的用戶給予較大的速率加權(quán)值以提高該用戶的傳輸速率。而在引入優(yōu)先級(jí)后，采用多用戶和容量的傳輸準(zhǔn)則就不適用了，必須采用加權(quán)和容量的準(zhǔn)則，不同用戶速率的加權(quán)體現(xiàn)了用戶的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高，用戶速率加權(quán)值越大，反之亦然。對(duì)于這種情況下的調(diào)度策略，以及用戶速率分配策略，利用高斯標(biāo)量多址的容量域公式以及化算法來解決這一問題。

　　對(duì)于收發(fā)端都有多根天線的高斯矢量多址信道，雖然可以采用標(biāo)準(zhǔn)的凸規(guī)劃理論，但是由于這時(shí)需要優(yōu)化的參數(shù)為各個(gè)用戶發(fā)送天線上的輸入?yún)f(xié)方差矩陣，采用標(biāo)準(zhǔn)算法會(huì)非常復(fù)雜，即使利用矩陣行列式化算法也會(huì)非常復(fù)雜。因此，研究化高斯矢量多址信道的加權(quán)和容量算法也是MIMO技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

　　5、天線在廣播信道中的容量分析

　　由于存在天線間和用戶間干擾，所以多天線廣播信道屬于非退化(non-degraded)的廣播信道，并且其容量域一直不明確。對(duì)于可退化(degraded)的廣播信道，比如單天線的廣播信道，其容量域以及各個(gè)用戶的速率分配方法已經(jīng)得到了解決。近年來，對(duì)于多天線廣播信道容量域的研究也取得了很大進(jìn)展。其中，DPC技術(shù)是解決多天線廣播信道容量域的關(guān)鍵。

　　還有一些非DPC的干擾處理方法，比如傳統(tǒng)的波束成形(BF)技術(shù)通過在發(fā)送端設(shè)計(jì)加權(quán)矢量使不同用戶的信號(hào)完全正交，設(shè)計(jì)加權(quán)矢量的準(zhǔn)則有迫零法(ZF)、小化均方誤差法(MMSE)等。其他基于波束成形技術(shù)的擴(kuò)展包括聯(lián)合信道對(duì)角化、擾動(dòng)的預(yù)信道均衡等。

　　6、MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)的結(jié)合

　　MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合被視為下一代高速無線局域網(wǎng)的核心技術(shù)。OFDM技術(shù)其實(shí)是多載波調(diào)制(MCM)的一種。它將信道分成許多正交子信道，然后在每個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣就減少了子信道之間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。由于每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的衰落是平坦的，大大消除了符號(hào)間干擾。MIMO OFDM技術(shù)通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實(shí)現(xiàn)空間分集，提高了信號(hào)質(zhì)量。它利用時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。實(shí)現(xiàn)兩者結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)包括：發(fā)送分集、空間復(fù)用、接收分集和干擾消除、軟譯碼、信道估計(jì)以及同步。

　　四、MIMO技術(shù)的應(yīng)用

　　2006年4月，在美國(guó)拉斯韋加斯舉辦的2006年CTIA無線通信展上，愛立信完成了全球基于多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)的高速分組接入(HSPA)演示。該演示基于愛立信商用無線基站。采用MIMO技術(shù)的HSPA可把下行鏈路的傳輸速率提高一倍至28Mbps。

　　目前，朗訊、松下、金橋和NTT DoCoMo等公司都在積極倡導(dǎo)MIMO天線系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。在3GPP的高速下行鏈路分組接入方案(High Speed Downlink Packet Access，HSDPA)中提出了使用MIMO天線系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在發(fā)送和接收方都有多副天線，可以認(rèn)為是雙天線分集的進(jìn)一步擴(kuò)展。另外，在3GPP(第三代協(xié)作伙伴項(xiàng)目)的WCDMA(寬帶碼分多址)協(xié)議中，涉及到了6種分集發(fā)射方法，即空時(shí)分集發(fā)射(Space Time Transmit Diversity，STTD)間切換分集發(fā)射(Time Switched Transmit Diversity，TSTD)、兩種閉環(huán)分集發(fā)射模式、軟切換中的宏分集，以及站點(diǎn)選擇分集發(fā)射(Site Selection Diversity Transmit，SSDT)。宏分集是指在CDMA(碼分多址)系統(tǒng)的軟切換過程中，可以通過2個(gè)甚至3個(gè)基站同時(shí)向一個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射同樣的信號(hào)，這是宏分集發(fā)射；同樣，接收時(shí)通過相鄰的基站進(jìn)行分集接收(多個(gè)基站接收)，即進(jìn)行宏分集接收。

　　MIMO技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在固定寬帶無線接入領(lǐng)域中，采用MIMO的主要公司是Iospan Wireless和Raze Technologies。Iospan Wireless的AirBurst系統(tǒng)是基于MIMO-OFDM(正交頻分復(fù)用)的FDD(頻分雙工)系統(tǒng)。Raze Technologies的SkyFir系統(tǒng)也具有MIMO接口，并且可以用波束成形控制器來升級(jí)。

　　結(jié)束語

　　在頻帶資源有限而高速數(shù)據(jù)需求無限增長(zhǎng)的現(xiàn)實(shí)下，利用增加發(fā)射天線來增加空間自由度、改善系統(tǒng)性能、提高頻帶利用率是無線通信領(lǐng)域中的一個(gè)研究方向。MIMO技術(shù)以其特有的優(yōu)點(diǎn)，將成為未來移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一，將對(duì)無線蜂窩系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。