MIMO系统技术综述

ＭＩＭＯ 的原理是把收发端天线的信号进行合并， 以改进每个 ＭＩＭＯ 用户的通信质量和速率。运营商可以利用这个优点极大地 提 高 网 络 的 服 务 质 量 以 增 加 收 入 。传 统 上 认 为 多 径 传 播 是 无 线 传 输的一个缺陷， 而 ＭＩＭＯ 系统的主要特征就是把多径传播转变成 为对用户有利的因素。ＭＩＭＯ 有效地利用随机衰落来提高传输速 率。ＭＩＭＯ 信道模型如图 １ 所示：
假设每个 接 收 天 线 的 输 出 功 率 为 ＰＲ，每 个 接 收 天 线 的 平 均 信
噪
比
为：
ＳＮＲ＝
ＰＲ
２
，它与
接
收天
线
数目
有关
，
与
发
射
天
线数
目
无关
。
!ｎ
这样， 系统模型可以用矩阵表示， 如公式（ １） 所示：
ｒ＝Ｈｘ＋ｎ
（ １）
其中
!ｈ１，１ Ｋ $ ｈＭ，１ Ｈ＝""Ｍ Ｏ Ｍ %%
#Ｈ１，Ｎ Ｌ & ｈｍ，ｎ
频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术， 还有一种是利用
ＯＦＤＭ。 大 多 数 研 究 人 员 认 为 ＯＦＤＭ 技 术 是 ４Ｇ 的 核 心 技 术 ， ４Ｇ
是需要极高频谱利用率的技术， 而 ＯＦＤＭ 提高频谱利用率的作用
毕竟是有限的， 在 ＯＦＤＭ 的基础上合理开发空间资源， 也就是采
（下转第 ７７９ 页）
（ ２） 其 中 Ｈｍ，ｎ，ｌ 是 第 ｌ 个 子 载 波 频 率 上 的 从 第 ｎ 个 发 送 天 线 到 第 ｍ，个接收天线之间的信道矩阵， 并且假定该信道 矩 阵 在 接 收 端 是 已知的， Ｃｎ，ｌ 是第 ｌ 个子载波频率上的从第 ｎ 个发送天线发送的符 号， 是第 ｌ 个子载波频率上的从第 ｍ 个接收天线接收到的高斯白 噪声。这样在接收端接收到的第 ｌ 个子载波频率上的 Ｎ 个符号可 以通过 Ｖ－ ＢＬＡＳＴ 算法 进 行 解 译 码 ， 重 复 进 行 Ｌ 次 以 后，ＮＬ 个 Ｍ－ ＱＡＭ 符号可以被恢复出来［８］。
关键词： ＭＩＭＯ ； ＯＦＤＭ； ３Ｇ； 信道模型 中图分类号： ＴＰ ３９３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００９－ ３０４４（２００７）１５－ ３０７１３－ ０１
Ｔｈｅ Ｓ ｕｍｍａｒｙ ｏｆ ＭＩＭＯ Ｓ ｙｓ ｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＸＩＮＧ Ｍｅｎｇ，ＺＨＵ Ｌｉａｎ－ ｘｉａｎｇ，ＹＡＮＧ Ｚｏｎｇ－ ｌｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖ． ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ＆ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓ ｔｒａｃｔ： Ｄｕｒｉｎｇ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ， ＭＩＭＯ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｔｔｒａｃｔｅｄ ｂｙ ｍａｎｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｆｏｒ ｉｔｓ ｔｒｅｍｅｎｄｏｕｓ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ＭＩＭＯ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ａ ｆｕｌｌ－ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ， ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ， ｍｏｄｅｌ， ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＩＭＯ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ＭＩＭＯ；ＯＦＤＭ；３Ｇ；Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｏｄｅｌ
收稿日期： ２００７－ ０７－ １４ 作者简介： 邢猛（ １９７８－ ） ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 无线移动通信； 朱联祥（ １９７０－ ） ， 男， 副教授， 研究方向无线移动通信； 杨宗林（ １９８２－ ） ， 男， 在读硕士研究生， 主要研究方向为第三代移动通信网测试技术。
７１３
本 栏 目 责 任 编 辑 ：谢 媛 媛
４ ＭＩＭＯ 技术在 ３Ｇ 中的应用
目前， 对 ＭＩＭＯ 技术的研究工作已经进入了一个相对成熟的 阶段。３Ｇ 中 ＭＩＭＯ 方案的标准化工作已经开始， 主要是在国际电 信联盟和 ３ＧＰＰ 的论坛上进行。不过 ＭＩＭＯ 在实际的蜂窝系统中 还很少商业实现。除了多入单出的纯发分集方案， 目前 ３Ｇ 还没有 采用任何的 ＭＩＭＯ 方案。
本 栏 目 责 任 编 辑 ：冯 蕾
网络通讯与安全
ＭＩＭＯ系统技术综述
邢猛， 朱联祥， 杨宗林 （ 重庆邮电大学 通信与信息工程学院， 重庆 ４０００６５）
摘要： 近些年来， ＭＩＭＯ 技术以其在容量和性能上的巨大潜能吸引了广大研究人员的关注。本文对 ＭＩＭＯ 技术这一热点问题进行 了概述，对 ＭＩＭＯ 技术产生的背景， ＭＩＭＯ 技术的原理、模型及其发展应用进行了全面的介绍。
［４］ 许 丽 花． 基 于 Ｊ２ＥＥ 的 三 层 体 系 结 构 应 用 研 究［Ｊ］． 南 京 工 业职业技术学院学报， ２００５，５（４）：２１－ ２２．
［５］ 王 飞． 基 于 Ｊ２ＥＥ 的 网 上 考 试 系 统 的 设 计 和 实 现． 成 都 电 子机械高等专科学校学报， ２００５，９（３）：２３－ ２６．
假设接收端可以通过信道估计或者训练序列得到信道状态
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
信息（ ＣＳＩＲ） ，且发送端不知道信道信息（ＣＳＩＴ）
接收端噪声用 ｎ 表示， ｎ 是 Ｎ×１ 阶 矩 阵 。 假 设 每 个 天 线 上 的
２
噪声独立， 且服从均值为 ０， 方差 为 σｎ的 复 高 斯 分 布 ， 噪 声 与 发 送 信号 ｘ 相互独立。
１ 引言
在当今的信息社会中， 人们对信息需求的急剧增长， 要求无 线 通 信 系 统 必 须 能 够 提 供 更 高 的 传 输 速 率 和 更 好 的 传 输 性 能 。由 于无限频谱资源的匮乏， 要达到这些要求， 就需要通信系统必须 具有更高的频谱效率。从目前技术发展来看， ＭＩＭＯ 是增加无线通 信系统频谱效率非常有效的一种方法。ＭＩＭＯ 充分开发了空间资 源， 利用多个天线实现多发多收， 在有限的频谱资源上可以实现 高速率和大容量， 可以取得极高的频谱效率［１］。在当前研 究 的 下 一代无线通信系统中， ＭＩＭＯ 是不可缺少的关键技术。
（上接第 ７１３ 页） 用 ＭＩＭＯ 与 ＯＦＤＭ 相 结 合 的 系 统 ， 可 以 提 供 更 高 的 数 据 传 输 速 率。另外 ＯＦＤＭ 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的 抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔， 所以系统不受码 间干扰的困扰， 这就 允 许 单 频 网 络 （ ＳＦＮ） 可 以 用 于 宽 带 ＯＦＤＭ 系 统， 依靠多天线来实现， 即采用由大量低功率发射机组成的发射 机阵列消除阴影效应， 来实现完全覆盖［５－ ７］。下面给出 ＭＩＭＯ 与 ＯＦＤＭ 的结合方案， 如图 ２ 所示：
２００８ 的奥运会作好了有利的支持。
参考文献：
［１］ 沃 而 什 ． Ｊ２ＥＥ１．４ 基 础 教 程 ［Ｍ］． 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， ２００４．
［２］ 杨绍方． 深入掌握 Ｊ２ＥＥ 编程技 术［Ｍ］． 北 京 ： 科 学 出 版 社 ， ２００２．
［３］ 翁 卫 兵， 李 耿 ， 等． ＪＳＰ 网 络 编 程 技 术［Ｍ］． 北 京 ： 新 时 代 出 版社， ２００４．
３ ＭＩＭＯ 与 ＯＦＤＭ 的结合
ＭＩＭＯ 系统在平坦衰落信道中通信时， 可以利用传播中的多
径 分 量 ， 即 此 时 ＭＩＭＯ 可 以 抵 抗 多 径 衰 落 ， 但 是 对 于 频 率 选 择 性
深衰 落 ， ＭＩＭＯ 系 统 依 然 是 无 能 为 力 。 目 前 解 决 ＭＩＭＯ 系 统 中 的
２ ＭＩＭＯ 技术原理及模型
移 动 通 信 中 的 ＭＩＭＯ 技 术 指 的 是 利 用 多 根 发 射 天 线 和 多 根 接收天线进行无线传输的技术， 使用这种技术的无线通信系统即 为 ＭＩＭＯ 系统。它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天 线数量， 相对于普通的 ＳＩＳＯ（单输入单输出）系统， ＭＩＭＯ 还可 以 包 括 ＳＩＭＯ（单输入多输出）系统和 ＭＩＳＯ（多输入单输出）系统［３，４］。
ＭＩＭＯ 技术最早 是 由 Ｍａｒｃｏｎｉ 于 １９０８ 年 提 出 的 ， 后 来 在 上 世 纪 ７０ 年代有人提出将多输入多输出技术用于通 信 系 统 ， 但 是 对 无线移动通信系统多输入多输出技术产生巨大推动的奠基工作
则 是 在 上 世 纪 ９０ 年 代 中 期 由 ＡＴ＆Ｔ ＢＥＬＬ 实 验 室 学 者 完 成 的 。 １９９５ 年 ， ＢＥＬＬ 实 验 室 的 Ｔｅｌａｔａｒ、Ｆｏｓｃｈｉｎｉ 等 人 在 基 于 Ｒａｙｌｅｉｇｈ 衰 落 、信 道 有 大 量 的 散 射 体 、信 道 系 数 无 关 、最 优 编 解 码 、发 射 端 信 道信息在接收端准确可知的假设下， 从理论上证明了接收端和发 送端均使用多天线（ＭＩＭＯ）可以使通信链路容量成倍增加的结果 ， 即在 Ｍ 个发射天线、Ｎ 个接收天线的 ＭＩＭＯ 系统中， 信道容量随 Ｍｉｎ［Ｍ，Ｎ］线 性 增 加 ［２］。
开发研究与设计技术
相关信息， 前者判断 ＥＪＢ 编码正确与否， 后者判断其是否高效。 包 括 Ｗｅｂ 应 用 程 序 的 部 署 和 ＥＪＢ 的 部 署 ， 有 两 种 “热 部 署 ”
方 式 一 是 在 ＷｅｂＬｏｇｉｃ 的 操 作 平 台 上 部 署 、 一 是 在 ＪＢｕｉｌｄｅｒ 集 成 环境中部署， 后者更为简便： 先将应用程序和 ＥＪＢ 分别打包成．ｗａｒ 和．ｊａｒ 文件， 须将 ＥＪＢ 的 Ｈｏｍｅ ＪＮＤＩ Ｎａｍｅ 记下， 启动 ＷｅｂＬｏｇｉｃ 服务器后即可部署。
影响 ＭＩＭＯ 系统大规模商业化的主要因素有两个： 一个因素
是天线问题， 在 ＭＩＭＯ 的系统设计中， 天线的数目和间距是很重要 的系统参数。具有多天线的基站更多地关注环境， 因此， 天线元的 数目被限制在恰当的数目， 比如说四根天线。而对于终端而言， １／ ２ 波长间距足够保证非相关衰落。可以设想终端天线的最大数为 四根， 当然， 两根天线实现的可能性更大。间距参数对于实现 ＭＩ－ ＭＯ 的高频谱效率尤其重要。然而， 对于手机而言， 安装两根天线 可能是个问题； 另一个因素是接收机复杂度的问题， 首先， 接收机 中对 ＭＩＭＯ 信道的估计使得复杂度增加。另外， 复杂度还来自特 别的 ＲＦ、硬件和接收机高级分离算法。ＭＩＭＯ 接收机应该是双模 的， 以支持非 ＭＩＭＯ 模式。在 ＭＩＭＯ 模式时， 接收机的每根天线使 用一个 ＲＦ 链路， 另外还要有附加的基带操作，即用来消除 空 间 干 扰的空时合并器和检测器。这些附加需求使得四发四收 ＭＩＭＯ 系 统的复杂度大约是单天线接收机的两倍。有的信道条件下可能还 需要均衡和消除干扰的处理， 这样会进一步增加接收机的复杂度。
５ 结束语
本文在分析传统 Ｃ／Ｓ 三层体系 结 构 的 基 础 上 ， 引 人 Ｊ２ＥＥ 技 术， 对其各个层次进行分析和设计， 并重点分析了 ｊａｖａｂｅａｎ 和 ＥＪＢ 的设计策略， 保证了业务逻辑的顺利实现， 使系统在安全、性 能 和 升级上都有充分的保证， 从而确保了皮划艇项目的实施， 为迎接
系统共有 Ｍ个发射天线和 Ｎ 个接收天线 整个发射功率为 Ｐ，且与发射天线数目无关， 每个天 线 具 有 相 同的发射功率 Ｐ／Ｍ 用 Ｍ×１ 阶矩阵 ｘ 代表发送信号 用 Ｎ×１ 阶矩阵 ｒ 代表接收信号
图 １ ＭＩＭＯ 信道模型
信道用 Ｈ 表示， Ｈ 是 Ｎ×Ｍ 阶矩阵。假设信道是平坦慢衰落瑞
利信道， 且各个信道相互独立。Ｈ 的元素 ｈｉ，ｊ 是从发射天线 ｊ 到接 收天线 ｉ 的复衰落系数， 符合独立同分布的复高斯分布
图 ２ ＭＯＭＯ－ ＯＦＤＭ 实现框图 在本方案中的数据进行了两次串并转换， 首先将数据分成 Ｎ 个并行数据流， 将这 Ｎ 个数 据 流 中 的 第 ｎ（ｎ∈［１，Ｎ］）个 数 据 流 进 行 第二次串并转换，变成 Ｌ 个并行数据流， 分别对应 Ｌ 个子载波， 将 这 Ｌ 个并行数据流进行 ＩＦＦＴ 变换， 将信号从频域转换到时域，然 后从 ｎ（ｎ∈［１，Ｎ］）个 天 线 上 发 送 出 去 。 这 样 共 有 ＮＬ 个 Ｍ－ ＱＡＭ 符 号被发送。整个 ＭＩＭＯ 系统假定具有 Ｎ 个发送天线， Ｍ 个接收天 线。在 接 收 端 第 ｍ（ｍ∈［１，Ｎ］）个 天 线 接 收 到 的 第 ｌ（ｌ∈［１，Ｌ］）个 子 载 波的接收信号， 如公式（ ２） 所示：