新一代移动通信核心技术MIMO

多入多出(MIMO|0">MIMO:Multiple-Input Multiple-Output)技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高系统容量和频谱利用率，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。本文简要介绍了无线通信中MIMO技术的发展现状、研究热点及应用。

从2001年12月NTT DoKoMo开始提供3G商用业务以来，一些国家也陆续准备部署3G网络。与此同时，各国已开始或者计划新一代移动通信技术的研究，争取在未来移动通信领域内占有一席之地。这里所提到的新一代移动通信是指后3G或者4G。目前普遍认为后3G的最高传输速率将超过100M；能够实现全球无缝漫游，有非常高的灵活性，能自适应地进行资源分配；支持下一代internet(IPV6)，而且是全IP网络，服务成本低也将是后3G的一个重要特征。随着时势的发展，未来移动通信宽带无线移动和无线接入融合系统成为当前热门的研究课题，而MIMO(多进多出)系统是人们研究较多的方向之一。

一、MIMO技术的概念

MIMO用于通信系统的概念早在20世纪70年代就有人提出，但是对无线移动通信系统MIMO技术产生巨大推动的奠基工作则是20世纪90年代由AT&T Bell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Foshini给出了一种MIMO处理算法--D-BLAST(Diagonal-BLAST，对角BLAST)算法；1998年Tarokh等讨论了用于MIMO的空时码；1998年Wolinansky等采用V-BLAST(Vertical-BLAST，垂直BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bps/Hz以上的频谱利用率，这在普通系统中是极难实现的。这些工作引起了各国学者的极大注意，并使得MIMO的研究得到了迅速发展。

多输入多输出(MIMO)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)。而传统的通信系统是单进单出(Single-InputSingle-Output，SISO)系统。基于发射分集和接收分集的多进单出(Multiple-Input Single-Output，MI2SO)方式和单进多出(Single-InputMultiple-Output，SIMO)方式也是MIMO的一部分。

二、MIMO技术的发展现状

作为无线高速数据传输的关键技术-MIMO其理论、性能、算法和实现的各方面均被各国学者广泛地进行着研究。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多输入多输出系统，尚有大量问题需要研究。

空时编码是MIMO的基本问题，现在已提出了不少关于MIMO及空时编码算法。但是为了在4G等新一代系统中实际应用MIMO，在空时编码算法研究上还有很多工作要做。新一代无线通信系统计划采用空时处理技术，例如IEEE802.16.3宽带固定无线接入标准的物理层把空时码作为内码，RS码作为外码；欧洲WIND-FLEX项目研究空时处理用于室内64～1OOMbit/s的无线自适应MODEM。数据速率20Mbit/s、带宽效率提高20%的空时码是4G的重要技术之一。人们正在不断地提出新的或改进的空时编码方法，以改善MIMO性能，减少空时编码系统复杂性，更好地适合新一代无线通信系统的要求和信道实际的情况。

Hochwald提出了一种针对分段恒定衰落信道的新的信号调制方法--单式空时调制(Unitary Space-time Modulation)。这种方法可以在不估计信道传输矩阵的条件下实现MIMO处理。随后，他们又将该方法推广到连续衰落信道，提出了微分单式空时码。Bauch提出了将Turbo码与短空时分组码串接；Narayanan也提出了将Turbo码与短空时分组码串接；Liu基于秩理论提出了全分集和全速率空时Turbo码；Cui等研究了并行级联Turbo空时码；Sallathurai等针对V-BLAST的问题，提出采用软对消方式实现检测的Turro编码与BLAST结构结合的MIMO处理方案。

为了在新一代系统中实际应用MIMO技术，就必须结合具体通信体制(多址方式、双工方式、调制方式、常规信道编码方式、多用户检测方式、波束形成方式等)进行性能研究和系统设计。近来，已有一批有关的研究结果发表。Agrawal等提出了一种OFDM与空时码结合的MIMO方案；Goeckel等提出了用于OFDM的多维信号集；Wang等研究了在相关衰落信道情况下OFDM空时码系统。

空时码与信道编码等处理的结合是空时研究的重要方向。Liu和Hanzo对空时码与信道码的级联进行了很好的阐述。

MIMO实验系统研究是极为重要的内容，各大公司均在研制实验系统。Bell实验室的BLAST系统是最早研制的MIMO实验系统。该系统工作频率为1.9GHz，发射8天线，接收12天线，采用D-BLAST算法。在室内实验时，发射分支长为100符号，其中20符号用于训练，符号率为24.3kSym2bol/s。8个发射子流均用未编码的16QAM，达到了25.9bps/Hz的频谱效率。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在3G、4G中应用尚有相当大的距离。

实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，许多学者正在进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而有大量工作要做。