MIMO系统简介与优化

MIMO技术可追溯到20世纪初的马可尼时代，但对MIMO技术的研究起了很大的推动作用，并开创无线通信的新技术革命的奠基性工作则是Bell实验室在20世纪90年代中后期的一系列研究成果。如1995年Telatar和1998年Foschini等给出了在加性高斯噪声信道下，采用MIMO技术可大大提高信道容量的结论；1996年Foschini首次实验了一种基于分层空时编码的MIMO系统，在8根发送天线和12根接收天线情况下获得高达40bit/（s·Hz）的频谱效率，但它较适合于窄带系统和室内环境，不适合应用于室外移动环境。这些工作引起了各国学者的极大关注，并兴起了MIMO技术的研究热潮。

MIMO技术实质上是将时间域和空间域结合起来进行空时信号处理的技术，将传统意义上的时域信号处理增加空间维数，使得通信质量（误码率）或数据速率有较大增长，其核心就是空时信号处理。

MIMO系统有N根发射天线，M根接收天线，第i根发射天线到第j根接收天线之间的信道衰落复系数为h_i，j。传输信息流s（n）经过空时编码后形成N个信息子流x_i（n）（i=1，…，N）。接收到的信号分别为y_i（n）（j=1，…，M），最后接收端对这些信号进行联合检测处理分离出多路数据流。图8-1所示为MIMO系统的原理图。

图8-1 MIMO系统原理

传统的单输入多输出（Single-Input Multiple-Output，SIMO）或多输入单输出（Multiple_- Input Single-Output，MISO）系统的容量随天线阵元数呈对数增长关系。MIMO系统是SIMO/MISO的推广，但是它又不同于传统的智能天线。在传统的智能天线系统中，该技术主要利用空间分集技术，在发射端或接收端采用多天线对信号进行合并。根据各天线阵元的信道响应自适应调整各天线单元的加权系数，使得合并后的信号中目标用户的信号能量最大，同时尽可能消除噪声和其他用户干扰的影响，以便在诸如多径或干扰严重的传输环境中进行可靠通信。在此过程中，信号的多径传播被视为需要极力消除的有害因素，多径的增加必然造成通信系统性能下降。然而对于使用多天线的MIMO系统来说，将多径作为一个有利因素加以利用，有效地利用多径衰落的随机性和角度扩展，接收信号之间的相关性以及接收机噪声的独立性，有效提高接收信噪比及系统性能。

其中，B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min（M，N）为M，N的较小者。式（8-1）表明，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，多输入多输出系统的最大容量和min（M，N）呈线性增长关系，而不是前面提到的对数增长关系。MIMO信道的容量是指在理想的传播环境和编解码条件下的容量极限，即若信号可以被任意长的空时码编码，在任意低的误码率条件下所能达到的最大传输速率。

从信号处理角度，MIMO技术可分为两类：一类是以提高传输速率为目标的空间复用技术，其代表是分层空时编码（Bell Labs Layered Space-Timer，BLAST）方案；另一类是以提高传输可靠性为目标的空时编码技术，其代表是空时格形编码（Space-Time Trellis Codes，STTC）和空时分组编码（Space-Time Block Codes，STBS）。

空间复用是在高散射环境下，在同一个频带中使用多个发射和接收天线。若各发射接收天线的通道响应独立，则可构建出多个并行的空间子信道。通过这些子信道独立地传输信息，提高数据传输率。例如，在BLAST系统中，每个信号的发送采用不同的发送天线，在接收端也要用多个天线以及独特的信号处理技术把这些互相干扰的信号分离出来，结果在给定的信道频段上的容量将随天线数量的增加而成比例增加。复用性能一般用系统容量来衡量。

空时编码是在多个发射和接收系统中，对不同天线的发射信号进行空时编码以引入空时相关性来达到增强信息保护的目的。其基本思想是给接收者提供信息符合的多个独立衰落副本，使得所有信号成分同时经历深度衰落的概率变小。空时编码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。例如，在Alamouti的空时编码系统中，通过发送数据在时间域和空间域上的正交设计，形成一个发送数据编码块，在接收端利用多路信号的正交性，将多路独立的信号区别出来，获得分集增益。分集性能一般用分集增益来衡量。注意：

空间复用是在不同的发射天线上发送不同的信息，以提高系统总体传输速率；空时编码是在不同的发射天线上发送相同或相关的信息，以提高传输可靠性。(www.xing528.com)

具体来讲，采用MIMO技术有以下优点：

1）增加阵列增益。多天线的采用将增大小区的覆盖范围，或者降低每根天线的发射功率。

2）空间分集。利用多天线对抗多径衰落，同一信号经过不同的传输路径到达不同的接收天线，同时出现深度衰落的可能性大大降低。

3）发射机定位。可以利用多天线确定发射机的位置。

4）增加系统容量。

挑战与机遇并存，在MIMO技术带来上述优点的同时，也对无线MIMO信道模型、信息论（包括空时编码、信道容量）和信号处理（信号波形设计和接收算法）提出了新的要求。目前关于MIMO研究大致可分为四类：信道模型和信道估计、信道容量、空时编码及信号发射方案、MIMO系统的接收方案。另外，随着新技术和人们新要求的不断出现，MIMO技术也在进一步发展，值得一提的有以下两个方面：

（1）协同通信

业已证明，MIMO通信技术能够在不增加带宽的情况，显著提高系统性能与容量。然而，因视距传播、天线间距等因素引起的天线之间的相关性使MIMO系统性能大大降低。同时，很多移动通信终端节点由于受到设备硬件的限制，只能配备一个天线。这些都限制了MIMO技术在无线通信网中的应用。为突破这些限制，人们提出了协同通信（Cooperative Communication）系统构建成一个虚拟的MIMO系统，以获得MIMO系统的好处。不过，要想构建有效的协同通信系统，涉及协同策略与协议、协同信号处理以及基于协同通信的网络协议等方面的问题仍有待研究解决。

（2）分布式MIMO

分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连，具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信，与基站建立MIMO。