移动通信中的MIMO技术

最近十年来，因特网和移动通信飞速发展，在第三代蜂窝移动通信中已经部分地引入了无线因特网和多媒体业务。而在新一代移动通信系统（即所谓的Ｂｅｙｏｎｄ ３Ｇ或４Ｇ）中，人们对传输速率提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速率。然而频谱资源总是有限的，要支持高速率就要开发具有极高频谱利用率的无线通信技术。最近的研究表明，多进多出（ＭＩＭＯ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ － Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）技术可以显著提高无线系统的频谱利用率。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？４０ ｂｉｔ／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？５ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ，在点到点的固定微波系统中也只有１０？１２ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ。ＭＩＭＯ技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一。

　　ＭＩＭＯ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，而传统的通信系统是单进单出（ＳＩＳＯ）系统，基于发射分集和接收分集的多进单出（ＭＩＳＯ）方式和单进多出（ＳＩＭＯ）方式也是ＭＩＭＯ的一部分。ＭＩＭＯ并不是一门新技术，早在１９０８年马可尼就提出用ＭＩＭＯ方式来抵抗无线信道的衰落。贝尔实验室的Ｅ．Ｔｅｌａｔａｒ和Ｇ．Ｊ．Ｆｏｓｃｈｉｎｉ分别独立地在他们各自的论文［１］和［２］中论证了理论上的ＭＩＭＯ信道的香农容量。他们指出，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数中最小一方的天线数ｍｉｎＮＭ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。同时，Ｆｏｓｃｈｉｎｉ还开发了用于ＭＩＭＯ系统的实际发射／接收算法，这就是著名的贝尔实验室分层空时码（ＢＬＡＳＴ）算法[２]。后来另外一个突破性的方案，即空时编码的思想由ＡＴ＆Ｔ实验室提出[３]，它可以提高ＭＩＳＯ和ＭＩＭＯ系统的分集增益。这些信号处理方案可以提高ＭＩＭＯ系统的容量，因而吸引了大量的研究开发人员和工程技术人员进行更深入的研究。

一、 MIMO技术

　　ＭＩＭＯ技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，目前针对ＭＩＭＯ信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。

　　１． 空间复用技术

　　空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线？充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道（ＭＩＭＯ子信道）发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量一种非常有效的手段。

　　空间复用的实现如图１所示，首先将需要传送的信号经过串并转换转换成几个平行的信号流？并且在同一频带上使用各自的天线同时传送，由于多径传播？每一副发射天线针对接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号不同来区分各自的数据流。实现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离，这样才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。

　　实现空间复用的接收端的解码算法有迫零算法（ＺＦ）、最小均方误差算法（ＭＭＳＥ）、垂直－贝尔实验室分层空时码（Ｖ－ＢＬＡＳＴ）算法和最大似然算法（ＭＬ）。迫零算法是一种线性接收方法，可以很好地分离同频信号，但是需要有较高的信噪比才能保持较好的性能。另一种线性接收算法是最小均方误码算法，该算法可以使由于噪声和同频信号相互干扰造成的错误最小，尽管它降低了信号分离的质量，但具有较好的抗噪性能。最大似然算法接收性能最好，但是计算复杂性高。

　　ＢＬＡＳＴ是一种可以实现空间复用增益的算法。１９９６年Ｆｏｓｃｈｉｎｉ提出对角－贝尔实验室分层空时码（Ｄ－ＢＬＡＳＴ）算法，但是由于算法的复杂度太大，很难实际应用。１９９８年由Ｆｏｓｃｈｉｎｉ和Ｇ．Ｇｏｌｄｅｎ提出Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法不是对所有的发送信号一起解码，而是首先对最强的信号解码，然后在接收到的信号中减去这个最强的信号，再对剩余信号中的最强信号解码，再减去这个信号，这样依次进行，直到所有的信号都被译出。Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法是算法复杂度和译码性能综合考虑下一种最优的译码算法。

２． 发送分集