MIMO无线技术的研究现状与发展趋势

　　摘要

　　MIMO无线技术是通信领域的一项重要技术突破，堪称新一代无线通信系统中的关键技术之一。文章详细探讨了MIM0无线通信技术的原理，并与智能天线技术进行对比，分析了国内外研究现状与发展趋势，包括MIMO的算法开发、信道建模、天线设计、测试平台构建、芯片开发与技术标准化进展等，为深入认识与研究MIM0通信技术奠定了基础。

　　1、引言

　　随着无线互联网多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性亟待提升，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。采用常规发射分集、接收分集或智能天线技术已不足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。可幸的是，结合空时处理的多天线技术——多入多出（MIMO）通信技术，提供了解决该问题的新途径。它在无线链路两端均采用多天线，分别同时接收与发射，能够充分开发空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。然而，与常规单天线收发通信系统相比，MIMO通信系统中多天线的应用面临大量亟待研究的问题。

　　2、MIMO无线通信技术

　　2.1传统单天线系统向多天线系统演进

　　传统无线通信系统采用一副发射天线和一副接收天线，称作单入单出（SISO）系统。SISO系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈——Shannon容量限制。针对移动通信中的多径衰落与提高链路的稳定性，人们提出了天线分集技术。而将天线分集与时间分集联合应用，还能获得空间维与时间维的分集效益。因此，从传统单天线系统向多天线系统演进是无线通信发展的必然趋势。

　　2.2智能天线向多天线系统演进

　　智能天线的核心思想在于利用联合空间维度与天线分集，通过最优加权合并而最大化信干噪比，使信号出错的概率随独立衰落的天线单元数目呈指数减小，而系统容量随天线单元数目呈对数增长。然而，开关波束阵列仅适于信号角度扩展较小的传播环境，且自适应阵列虽可以用于信号角度扩展较大的多径传播环境，但在高强度的多径分量比较丰富的环境下，自适应天线系统抗衰落的能力相当有限，这是因为智能天线技术没有利用多径传播。由于增大阵元间距与角度扩展及结合空时处理都有利于捕获与分离多径，因此结合天线发射分集与接收分集技术，充分利用而不是抑制多径传播，进一步开发空域资源，提高无线传输性能，成为了无线通信发展的必然趋势，即从智能天线向多天线系统演进。

　　2.3MIMO无线通信技术

　　MIMO无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于天线分集与智能天线技术，具有二者的优越性，属于广义的智能天线的范畴。结合天线发射分集、接收分集与信道编码技术是无线通信发展的趋势，在多径传播环境中，增大阵元间距与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获、分离与合并多径。MIMO系统在发端与收端均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技术，以及无线信道的多径传播，因势利导，开发空间资源，建立空间并行传输通道。在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信的质量与数据速率，堪称现代通信领域的重要技术突破。

　　MIMO无线通信技术已不是传统智能天线，其优势已非常规智能天线所及。智能天线采用加权选择算法驱动波束指向，通过将能量聚集到期望方向而提到信噪比，抑制而不是利用多径传播。对于MIMO系统，若其N副发射天线与M副接收天线的无线链路N×M信道矩阵的元素是完全独立的，则系统的容量随最小天线数目线性增长，而不是采用智能天线下的对数增长。理论上，对于理想的随机信道，如果天线的空间和成本与射频通道不受限制，MIMO系统就能提供无限大的容量。与MISO和SIMO系统相比，MIMO系统的容量提升几乎难以置信，它是空间维度充分结合时间维度的结果，即采用空时编码的数据流利用矩阵信道而不是智能天线系统中的向量信道传输数据。

　　MIMO技术利用了无线信道多径传播的固有特性：在无线通信中，如果在发送端与接收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对发一收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各对等效的发一收天线间的无线传输信道趋于独立，这些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相互正交。N×M的MIMO系统的框图见图1。发射数据流s被分离为N路子数据流，在调制与射频前端处理后以相同的频率分别经N副天线同时发射出去。经无线信道的散射传播，这些并行子流从不同路径到达接收机，由M副天线接收，接收机采用先进的信号处理技术对各接收信号联合处理，可恢复出原始数据流。

　　图1 MIMO无线通信系统框图

　　3、MIMO无线通信技术的研究现状与趋势

　　自从1995年Telatar推导出多天线高斯信道容量、1996年Foschini提出BLAST算法、1998年Tarokh等提出空时编码以来，MIMO无线通信技术的研究如雨后春笋般涌现。至2005年年底，IEEE数据库收录该领域的研究论文已达数千篇，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，其研究现状如下。

　　3.1MIMO算法开发

　　虽然理论分析结果表明MIMO无线技术能够极大地提高系统容量与可靠性，但仅有分析是不够的，更为重要的是开发误码性能与复杂度折衷的传输方案以获取MIMO系统的实际性能增益。大量MIMO算法企图同时充分获取分集与复用增益，因此可将MIMO算法方案分为两大类。

　　第一类是分集最大化方案，即空时编码（STC）方案。天线分集可以对抗信道衰落，提高无线链路的可靠性，并且联合应用多维天线分集与时间分集，可以获得更好的分集效果，即通过空时编码而增加传输的空时冗余信息，从而提高无线传输的稳健性。在延时发射分集的基础上，Tarokh等提出了空时格形码（STTC），它具有卷积码的特征，并将格形编码、调制与发射分集结合在一起，在不增加带宽的情况下，可以同时获得满分集与高编码增益。它利用某种格形图，将同一信息从多副天线发射出去，在接收端采用基于欧式距离的Viterbi译码，其复杂度很高，且随传输速率呈指数增加，但其性能较好，抗衰落能力强。随后，各种空时编码得到快速发展，如Turbo空时格形码与级联空时码等。然而，空时编码的盛行实际是从空时分组码（STBC）的发现开始的，因为STBC的构造比较容易。由于发射信号两两正交，收端可采用线性最大似然检测，其译码简单。STBC的性能只与分集阶有关，它可以获得满分集增益，但是没有编码增益，其抗衰落性能较差，尤其是抗快衰落性能很差，因此，更适于微小区或微微小区环境。

　　第二类为数据率最大化方案，即复用方案，因为MIMO系统的多天线也可实现空间复用。无线信道的多径传播增加了MIMO系统可用的自由度，若各对收发天线路径的衰落独立，则空间矩阵信道创建了多个并行的空间传输通道，利用并行通道传输独立的信息流，从而提高系统的数据率。著名的BLAST结构，就是将待发射的信息流分解为多路并行子流，对各路独立地进行编码、调制与映射到其对应的发射天线上，在收端采用迫零或迫零结合干扰消除等技术将多路子数据流分离。其实质是将单路高信噪比信道分解为多路相互重叠的低信噪比信道并行传输，达到空间复用的目的，从而提高频谱利用率。复用方案也可归结为分层空时编码结构（LST），包括V-BLAST、D-BLAST及T-BLAST等。

　　然而，纯粹的天线分集与纯粹的复用方案并非最优方案，因为MIMO系统本身的自由度在给定天线配置下是有限的，它们各自都只解决了问题的一个方面，即获取更高的分集增益是以牺牲复用增益为代价的，反之亦然。于是，在MIMO算法开发中如何对二者进行折衷以同时获得分集与复用增益达到最佳的系统性能，成为人们追求的目标。

　　另外，其他一些MIMO算法也成为MIMO算法开发的重要分支，它们确保了MIMO系统正常且有效地工作。

　　3.2MIMO无线信道建模

　　MIMO系统利用无线信道的多径传播，开发空间资源，建立空间并行矩阵传输通道，利用空时联合处理提高无线通信系统的容量与可靠性。然而，决定空时处理性能的关键因素在于无线传播信道的空时特性。研究表明，只有在无线信道散射传播的多径分量足够丰富的条件下，各对发-收天线单元间的多径衰落才趋于独立，信道矩阵才趋于满秩；如果散射不够丰富或天线单元间距较小等，多径衰落将不完全独立，信道矩阵也非满秩，MIMO信道的空间优势得不到充分发挥，MIMO系统传输方案的性能将下降，即信道传播条件决定了MIMO系统的信道容量。一方面，需开发更加稳健的空时处理算法，如空时编解码、空时均衡与MIMO收发信机算法；另一方面，需开发MIMO无线信道模型以模拟各种实际信道条件、评估各种空时处理算法的相对性能、仿真与优化设计高性能的通信系统。

　　3.3MIMO天线设计

　　发射与接收多天线系统是MIMO无线系统的重要组成部分，其性能直接影响MIMO信道的性能。多天线发出的信号在无线信道中经散射传播而混合在一起，再经收端多天线接收后，系统通过空时处理算法分离并恢复出发射数据，其性能取决于各天线单元接收信号的独立程度，即相关性，而多天线间的相关性与散射传播及天线特性密切相关。因此，实现MIMO系统的高性能除依赖于多径传播的丰富度外，还依赖于多天线单元的合理设计。

　　MIMO无线系统的多天线，一方面，其天线单元间距较大，必须具有分集功能，不同于常规智能天线；另一方面，各天线单元应该尽可能接收各方向的散射达波，因此也不同于常规分集天线。天线单元数目、天线单元间距与天线安装位置等都是至关重要的因素。比如，对于基站天线，其天线数目限制较小，但由于安装位置较高而散射扩展较小，要求天线单元间距较大；对于便携终端天线，其数目与位置要求都较严；对于手机天线，天线数目与间距要求尤为严格。实验表明，由于散射传播环境不同，提供空间低相关的衰落信号所需要的天线单元间距也不一样。比如，偏远地区的宏小区环境可能需要若干个波长间隔才能获得天线解相关，而丰富散射的室内环境可能只需半个波长间距。对于极化域而言，交叉极化耦合度决定了能否提供极化分集，或能否提供近似正交的并行信道，因此，MIMO多天线的设计是与传播环境和天线的安装位置紧密相关的。

　　3.4MIMO测试平台搭建与MIMO芯片开发

　　1998年贝尔实验室开创性的实验验证了V-BLAST的可行性，随之引发了对MIMO技术的广泛研究，进而促使人们开发MIMO测试平台进行信道测试。MIMO无线传输技术发展至今，理论日渐成熟，而现场测试亟待进行。开发测试平台进行现场测试对于MIMO通信技术迈向实用化具有重要意义。先进的多天线系统测试平台，不但可以探测各种传播环境下的MIMO信道特征，验证信号处理算法性能，而且有助于评估算法实时实现的可行性。这些测试平台也是进行新技术研究与实际系统开发的重要基地。国外很多研究机构纷纷进行实验平台开发与外场测试，并有大量实验结果发表，如国内电子科技大学与东南大学的室内外MIMO实验，国际上V-BLAST的可行性验证实验、ISTMETRA项目的室内外实验与BYU的室内MIMO实验等，它们极大地促进了MIMO技术的发展。

　　随着MIMO技术日趋成熟，为适应市场发展，诸多无线产品厂商共同合作，提出各种以MIMO技术为基础的解决方案，并且进行MIMO芯片的开发。目前，主要的MIMO芯片制造商包括Airgo、Atheros、Metalink与Ralink等，一些设备制造商已将芯片用于自己的MIMO产品，而且Airgo开始试产第三代MIMO芯片，并同Linksys公司一起研发第四代产品。总之，全球的MIMO芯片市场日益壮大，为MIMO技术的商用打下基础。

　　3.5MIMO技术的标准化进展

　　随着MIMO技术日趋成熟，并向实用化迈进，国际上很多研究机构已不断推动MIMO技术的标准化进程，包括：MIMO无线传播信道模型的标准化和MIMO技术的标准化。

　　在国内，科技部对新一代无线通信技术相当重视，已启动的未来通用无线通信技术研究计划（FUTURE）分为三阶段实施：在第二阶段（2004.1到2005.12），B3G/4G空中接口技术研究达到相对成熟的水平，并进行与之相关的系统总体技术研究（包括与无线自组织网络、游牧无线接入网络的互联互通技术研究等），完成联网实验和演示业务的开发，建成具有B3G/4G技术特征的演示系统，向ITU提交初步的新一代无限通信体制标准；在第三阶段（2006.1到2010.12），完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实用化研究，开展较大规模的现场实验，完成预商用系统的研制。

　　4、结束语

　　总之，MIMO无线通信技术日趋成熟，逐步从理论研究走向产品开发。MIMO技术是一项全新的技术，在其算法开发、信道建模、天线设计、测试平台搭建、芯片开发与标准化方面还有大量工作有待进行。但其锐不可当的发展趋势已预示着高速无线传输时代的来临。