MIMO技术背景简介

从20世纪70年代开始，移动通信以前所未有的速度迅猛发展，特别是进入90年代以后，移动用户呈几何级数增长。另外，由于因特网无线接入技术的日趋成熟，带动了像无线上网、彩信和视频点播等多媒体业务的发展，未来的移动通信已不再局限于话音传输，还将包括高速上网和视频传送等高速多媒体业务。新一代移动通信系统将向高传输速率和高移动性方向发展，如在后三代（Beyond 3rd Generation，B3G）或第四代（4th Generation，4G）移动通信系统中，可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s，同时还需满足在高达250km/h的高速移动环境下的可靠传输，对通信带宽的要求越来越高。实际上，在过去的20年内，分配给蜂窝移动通信系统的频谱带宽在不断增长。在美国，1983年分配给第一代移动通信系统的带宽为40MHz，到20世纪80年代末，分配给第二代移动通信系统的带宽就增加到50MHz，1995年又增加到170MHz。然而，由于无线传输特性的限制以及和其他通信系统频谱需求冲突的影响，在不久的将来，这种给蜂窝移动通信系统不断追加频谱带宽的势头会停止。

在有线通信系统中，可以采用新的物理资源（如电缆、光纤、路由器等）来大幅增加有线网络带宽，与此形成鲜明对比的是：无线通信需要共享有限的无线频谱资源。无线信道自身的复杂性以及我们对它肤浅的了解，决定了在无线通信中我们不能像在有线通信中那样得心应手。无线信道的复杂性来自于它的开放传输：一方面，多径信号以不同的幅度、角度和时延到达接收机，同时还会受到不确定的噪声影响，从而使接收信号电平具有很强的不确定性；另一方面，由于开放传输造成的同频干扰使得无线频谱的重用受到很多限制，且无线传播的特性决定了可用于移动通信的频带是有限的，使得不可再生的频谱资源在无线通信用户规模不断膨胀的今天变得极其紧张。另外，由于无线信道的衰落和时变特性，实际系统的有效带宽很难达到香农提出的容量极限，而且发射功率也有一定的限制。因此，在有限的频率带宽和功率条件下，提高频谱利用率一直是人们追求的目标。日益增长的带宽需求和紧张的无线频谱资源之间的矛盾日益突出，巨大的需求使得频谱使用权的价格节节攀升，在德国3G频谱的拍卖价格高达462.2亿美元，每用户的频谱使用费用为1000美元。

在无线移动通信系统中，提高频谱的利用率和链路的可靠性，一直是我们所面对的主要问题。从移动通信诞生开始，无数科研工作者就一直在寻找这一问题的有效解决方法。经历了第一代的频分多址、第二代的时分和码分多址，第三代更加精细的无线资源管理，所有技术革新的出发点都是在当时技术和工艺允许的前提下，尽可能提高系统性能和传输速率，而性能和速率二者往往是相互矛盾的。为了更客观地评价系统，我们引入频谱效率这一概念，即在给定目标误比特率或掉话率的前提下，单位覆盖范围内单位带宽所能达到的最大传输速率。在第三代移动通信中采用了许多新技术来提高频谱效率，如功率控制、智能天线、话音激活机制、可变速率声码器等。目前，我们对时域、频域和码域的研究已相当完善，急需寻找新的技术突破口来进一步提高频谱效率。(www.xing528.com)

利用空域资源提高频谱效率是未来移动通信的一个重要方向，小区制的蜂窝覆盖技术就是利用移动用户空间位置的不同，在空间相距较远的小区采用同样的频率，以满足更多用户的通信需求，提高频谱利用率。为了进一步提高频谱利用率，又将一个小区分为多个扇区，但随着扇区的增多，移动台的越区切换变得越来越频繁，加重了系统的开销。为了充分利用空域资源，降低系统开销，一种新的基于空时联合信号处理的通信技术，多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术应运而生，它是在发射端和接收端采用多根天线收发信号，充分利用空域资源提高频谱利用率和系统性能。研究表明，MIMO技术在室内传播环境下的频谱效率可以达到20～40bit/（s·Hz），远高于传统蜂窝无线通信技术的1～5bit/（s·Hz）。MIMO技术作为提高数据传输率的重要手段得到人们的认可，被认为是第四代无线通信系统中的关键技术。因此，研究MIMO技术对未来高速率和高可靠性的无线通信网络具有重要的意义。