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解读新一代移动通信核心技术MIMO

 
 

多入多出(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。  
 
三、MIMO技术的研究热点  
 
1、MIMO信道的建模和仿真  
 
为了更好地利用MIMO技术,必须深入研究MIMO信道特性,尤其是空间特性。与传统信道不同的是,MIMO信道大多数情况下都具有一定的空间相关性,而不是相互独立的。在2001年11月的3GPP会议中,由朗讯、诺基亚、西门子和爱立信公司联合提出了标准化MIMO信道的建议。3GPP和3GPP2推荐的链路级MIMO信道的建模方法有两个:基于相关(Corrlration-Based)的方法和基于子径(EAGC-A14H)的方法。尽管3GPP和3GPP2对链路级的信道参数进行了定义,但是对于如何实现并没有达成共识。研究信道的相关性对系统容量的影响成为MIMO技术的研究方向之一。  
 
另外,目前对MIMO系统的研究都是假定在理想信道估计条件下进行的,而实际上在接收端无线传播环境中是不可能知道信道冲激响应的,因此要进行信道估计。由于在MIMO系统中进行信道估计时,天线之间存在着干扰,因此,研究在天线之间存在干扰时的信道估计方法也是目前研究的热点。  
 
2、MIMO系统的天线选择技术  
 
因为多天线需要多射频RF电路,而RF又非常昂贵,因此,寻找具有MIMO天线优点且低价格、低复杂度的最优天线子集选择技术极具吸引力。多天线选择发送接收系统就是利用一定的准则从M根发送天线中选择出MS根天线用于发送信号,同样在接收端从N根接收天线中选择出NS根用于接收信号,这样就构成了选择的MS×NS的MIMO系统。一般来说,与多天线的应用对应,选择准则也可分为两种:一种是以最大化多天线提供的分集来提高传输质量;另一种是以最大化多天线提供的容量来提高传输效率。  
 
3、MIMO系统的信号处理  
 
早期关于MIMO技术的研究大多数还集中在单用户点到点的环境中,而没有考虑其他用户的共信道干扰。最近,人们将研究重点逐渐转移到多用户MIMO信道中来。在多用户MIMO系统的下行链路中采用空分多址(SCDMA)可以给系统吞吐量带来可观的增益。这样的多用户MIMO系统的技术难点在于如何设计发射向量以消除用户间的共信道干扰。典型的“最佳问题”包括功率受限时的容量问题(最大化和信息速率)或用以满足每个用户特定QoS的功率控制问题(最小化发射功率)。虽然对于一般的多用户MIMO信道,这两个问题都没有闭环解决方案,但是强加某些特定的限制时可以得到闭环解决方案。最常见的包括:块对角化、逐次最优化、波束成形法以及结合空时编码来消除多用户之间的干扰。  
 
4、多天线系统在多址信道中的容量分析  
 
从理论上来说,多天线多址系统的容量域已经非常清楚,但是如何让容量域满足各种条件的用户传输速率集仍然没有很好地解决。从结构来看,这是一个非线性优化问题,采用传统的凸优化的方法虽然可以得到解决,但是计算量会非常庞大,必须寻找简单快速的方法。在某些特殊情况下,比如,多用户和容量(所有用户的速率加权值一样)的优化问题,有文献已经提出了非常有意义的多用户注水迭代算法,这种方法充分利用了原始优化问题的结构,利用矩阵理论和凸优化理论快速迭代求解。但是这种特殊情况对于实际网络来说没有太大的意义,因为实际网络中不同用户位于网络中的不同位置,采用相同速率加权值的做法会导致网络边缘用户的传输速率得不到保证,所以应对长期传输速率比较低的用户给予较大的速率加权值以提高该用户的传输速率。而在引入优先级后,采用多用户和容量的传输准则就不适用了,必须采用加权和容量的准则,不同用户速率的加权体现了用户的优先级,优先级越高,用户速率加权值越大,反之亦然。对于这种情况下的调度策略,以及用户速率分配策略,利用高斯标量多址的容量域公式以及最优化算法来解决这一问题。

对于收发端都有多根天线的高斯矢量多址信道,虽然可以采用标准的凸规划理论,但是由于这时需要优化的参数为各个用户发送天线上的输入协方差矩阵,采用标准算法会非常复杂,即使利用矩阵行列式最优化算法也会非常复杂。因此,研究最大化高斯矢量多址信道的加权和容量算法也是MIMO技术的研究热点之一。  
 
5、天线在广播信道中的容量分析  
 
由于存在天线间和用户间干扰,所以多天线广播信道属于非退化(non-degraded)的广播信道,并且其容量域一直不明确。对于可退化(degraded)的广播信道,比如单天线的广播信道,其容量域以及各个用户的速率分配方法已经得到了解决。近年来,对于多天线广播信道容量域的研究也取得了很大进展。其中,DPC技术是解决多天线广播信道容量域的关键。  
 
还有一些非DPC的干扰处理方法,比如传统的波束成形(BF)技术通过在发送端设计加权矢量使不同用户的信号完全正交,设计加权矢量的准则有迫零法(ZF)、最小化均方误差法(MMSE)等。其他基于波束成形技术的扩展包括联合信道对角化、扰动的预信道均衡等。  
 
6、MIMO技术与OFDM技术的结合  
 
MIMO技术与OFDM技术相结合被视为下一代高速无线局域网的核心技术。OFDM技术其实是多载波调制(MCM)的一种。它将信道分成许多正交子信道,然后在每个子信道上进行窄带调制和传输,这样就减少了子信道之间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。由于每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的衰落是平坦的,大大消除了符号间干扰。MIMO OFDM技术通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集,提高了信号质量。它利用时间、频率和空间三种分集技术,使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。实现两者结合的关键技术包括:发送分集、空间复用、接收分集和干扰消除、软译码、信道估计以及同步。  
 
四、MIMO技术的应用  


2006年4月,在美国拉斯韦加斯举办的2006年CTIA无线通信展上,爱立信完成了全球首次基于多输入多输出(MIMO)技术的高速分组接入(HSPA)演示。该演示基于爱立信商用无线基站。采用MIMO技术的HSPA可把下行链路的传输速率提高一倍至28Mbps。

 
目前,朗讯、松下、金桥和NTT DoCoMo等公司都在积极倡导MIMO天线系统技术的应用。在3GPP的高速下行链路分组接入方案(High Speed Downlink Packet Access,HSDPA)中提出了使用MIMO天线系统,这种系统在发送和接收方都有多副天线,可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外,在3GPP(第三代协作伙伴项目)的WCDMA(宽带码分多址)协议中,涉及到了6种分集发射方法,即空时分集发射(Space Time Transmit Diversity,STTD)间切换分集发射(Time Switched Transmit Diversity,TSTD)、两种闭环分集发射模式、软切换中的宏分集,以及站点选择分集发射(Site Selection Diversity Transmit,SSDT)。宏分集是指在CDMA(码分多址)系统的软切换过程中,可以通过2个甚至3个基站同时向一个移动台发射同样的信号,这是宏分集发射;同样,接收时通过相邻的基站进行分集接收(多个基站接收),即进行宏分集接收。  
 
MIMO技术已经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中,采用MIMO的主要公司是Iospan Wireless和Raze Technologies。Iospan Wireless的AirBurst系统是基于MIMO-OFDM(正交频分复用)的FDD(频分双工)系统。Raze Technologies的SkyFir系统也具有MIMO接口,并且可以用波束成形控制器来升级。  
 
结束语  
 
在频带资源有限而高速数据需求无限增长的现实下,利用增加发射天线来增加空间自由度、改善系统性能、提高频带利用率是无线通信领域中的一个研究方向。MIMO技术以其特有的优点,将成为未来移动通信中的关键技术之一,将对无线蜂窝系统的发展产生深远的影响。

 
 
 
 
 
 

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