MIMO技术变革下一代移动通信系统设计
MIMO technology will lead a revolution of mobile commumication system design

引言
---随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。
---多输入多输出（MIMO）无线通信技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。该系统采用空时处理技术进行信号处理。在多经环境下，该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。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。
---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。
---空间分集是用来克服无线传输中的信道衰落的一种技术，以分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为SIMO系统是接收分集，MISO系统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生Rayleigh衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个位置间距大于天线之间的相关距离(通常相隔十个信号波长以上)，就认为两处的信号完全不相关，这样就可以实现信号空间分集接收。
---MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。MIMO技术有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。MIMO技术成功之处主要是它能够在不增加所占用的信号带宽的前提下带来无线通信的性能上几个数量级的改善。因此在多天线相关的信道建模、信息论和编码理论、信号处理算法、天线设计以及固定和移动的蜂窝设计每一面都取得了进展。

MIMO技术带来无线通信系统的四大变革
---无线通信系统从发送端开始，首先经过发送端编码和发送端调制，然后通过无线通信链路到接收端天线，在接收端解调译码恢复原始信号。MIMO技术的引入是无线通信的一场革命，它的影响是全方位的。从无线通信系统的结构来看，MIMO技术通过和无线通信系统的各个关键部分相结合以改善系统的整体性能，如和编码技术结合形成空时编码技术、与调制技术结合形成MIMO OFDM技术、与天线技术结合成为多天线的智能天线系统。MIMO技术的引入使先前的通信信号的时频域处理转变为空时频三维的信号处理，极大的增强了系统性能。MIMO无线通信系统在以下一些方面具有巨大的潜力，如频谱的高效使用、带宽的动态分配、安全的无线应用、更高的服务质量、高性能的信号调制传输技术。为此，下一代MIMO无线通信系统使用了许多新的关键技术，包括空时编码技术、MIMO OFDM技术、智能天线术以及空时频三维信号的自适应技术等等。
---1. 空时编码技术——MIMO与编码技术的结合
---空时编码技术是在1998年由Vahid Tarokh等人提出的一项基于发射分集的技术。Tarokh等人认为：如果在发射端采用适合多天线传输的编码技术，同时在接收端进行相应地信号处理技术，能获得很大的性能增益，这样就能够实现数据的高速传输。
---最近几年来空时编码技术在无线通信领域引起了广泛关注。朗讯实验室的Forchini和Gans，AT&T的Tarokh及其同事们在这方面作了关键性工作，率先提出了空时编码的概念。空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线，因为空时编码同时利用时间和空间两维信号处理来构造码字，这样才能有效抵消衰落，提高功率效率。并且能够在传输信道中实现并行的多路传送，提高频谱效率。需要说明的是，空时编码技术因为属于空间分集的范畴，所以要求在多散射体的多径情况下应用，天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性，以充分利用多散射体所造成的多径（也称之为充分多径）。
---空时编码方案结合了信道编码和多发送天线，通过空时编码后的数据被串并转换成n个数据流，每一路数据流经脉冲形成、调制，然后通过n个天线同时发送到无线空间。在接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接收，每一个接收天线接收到的是n个发送信号与干扰噪声线性的叠加（衰落系数为权重），然后通过最大似然检测的方法，正确地识别出发送信号。空时译码算法和信道估计技术结合以获得分集增益和编码增益。
---目前，空时编码基本上有空时分组码(STBC)、空时格状码(STTC)和空时分层码(BLAST)等多种。
---2. MIMO OFDM技术——MIMO与调制技术的结合
---OFDM是一种新的高效的多载波调制技术，它能够有效地对抗多径传播，使受到干扰的信号能够可靠地接收。到目前为止，对于OFDM系统的研究已经相当深入，同时对于MIMO系统研究也早在1998，1999年就有人提出空时码的概念，利用空时码和多个发射、接受天线来完成系统的发射分集和接受分集，可以说这就是MIMO系统的雏形。我们知道单纯的OFDM系统要对抗无线环境中的多经衰落是不够的，他必须和相应的分集技术结合起来，才能更好的发挥其功效。因此我们可以将MIMO系统和OFDM系统结合起来，即构成MIMO OFDM系统.这种系统利用的是空间分集。
---在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小了多径衰落的影响。而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效的增加了系统的传输速率，即由MIMO提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，如果我们将OFDM和MIMO两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统很高的传输速率，另一种是通过分集达到的很强的可靠性。同时，在MIMO-OFDM系统中加入合适的数字信号处理的算法能更好的增强系统的稳定性。
---3. 智能天线技术——MIMO与天线技术的结合
---MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。因此，MIMO技术可以看作是智能天线的扩展，
---在多天线技术中，最受关注的是智能天线技术，国际电联已明确将智能天线技术作为三代以后移动通信技术发展的主要方向。智能天线通常也被称作自适应天线，主要用于完成空间滤波和定位。从本质上看，智能天线利用了天线阵列中各单元之间的位置关系，即利用了信号的相位关系，这是它与传统分集技术的本质区别。从一定意义上看，智能天线可看作是一种空分多址SDMA，在SDMA中，多个用户可共享一个信道，这将极大地增加系统容量。
---智能天线技术可以定义为:具有波束成形能力的天线阵列,可以形成特定的天线波束,实现定向发送和接收。智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号、多址干扰以及多径干扰信号。智能天线分为两大类:多波束智能天线与自适应阵智能天线，简称多波束天线和自适应阵天线。
---更高数据速率和越来越复杂的工作特性必然要求下一代无线通信的天线系统提供精确而且灵活的干扰控制。而智能天线提供了一种方案来解决困扰无线网络的根本问题。因此，智能天线一定会在移动通信系统中得到广泛的应用。
---4.空时频自适应技术
---正交频分复用技术由于能有效地抑制码间干扰(ISI)而成为多径衰落信道环境下传输高速数据的有效调制技术。但在传统OFDM传输系统(即没有采用空间分集和自适应调制等性能增强技术的基本OFDM系统)中，由于在所有的子载波中采用相同且固定的调制方式，因此它没有充分利用各子载波的频率选择性衰落信道信息。为了克服这个缺点，人们提出了充分利用子载波信道特性的自适应OFDM技术。在自适应OFDM中，子载波上的调制方式随信道质量而自适应变化，这样就充分利用了各子载波的信道信息，从而大大地提高了系统的误比特性能。
---MIMO系统中不同信道相互独立，在高信噪比的情况下系统的容量几乎跟发射端和接收端天线的最小数目成正比。不同调制技术也会给系统带来不同的增益。根据一些已经发表的论文，MIMO技术跟自适应调制技术结合可以获得更大的系统增益，所以MIMO技术与先进自适应技术结合的研究也成为无线通信研究的一个重要方面。
---MIMO与OFDM技术结合，可以将无线通信的信号处理从时频分集扩展为时空频分集，进一步分割信道为空时频正交的子信道。这样，我们就需要根据各个子信道的实际传输情况灵活的分配发送功率和信息比特。而且由于无线信道的频率选择性和时变性，也需要实时地对信道进行检测，更加有效的利用无线资源。
---对于所有子载波都使用相同固定调制方案的通信系统来说，其误码率主要由经历衰落最严重的子载波决定。因此在频率选择性衰落信道中，随着平均信噪比的增加，系统的误码率下降是十分缓慢的。但我们可以对不同的子信道采用不同传输方案。所有的传输方案要适应每个子信道的信噪比。而且也可以对单个子信道的功率分配实现最优化。（图3为自适应方案的系统结构图）

结束语
---最近十年来随着因特网和移动通信飞速发展，第三代移动通信也已经引入了无线因特网和多媒体业务。而在下一代移动通信系统(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。MIMO技术可以显著提高无线系统的频谱利用率，也非常适用于室内环境下的无线局域网系统使用，采用MIMO技术的无线局域网系统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宽带通信系统的革命技术。
---MIMO技术将成为第三代和未来移动通信与个人通信系统实现数据速率，提高传输质量的重要途径。