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MIMO：新一代移動(dòng)通信核心技術(shù)
MIMO：新一代移動(dòng)通信核心技術(shù)
多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，信號(hào)通過(guò)發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善每個(gè)用戶的服務(wù)質(zhì)量（誤比特率或數(shù)據(jù)速率）。
MIMO技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無(wú)線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。目前，各國(guó)已開(kāi)始或者計(jì)劃進(jìn)行新一代移動(dòng)通信技術(shù)（后3G或者4G）的研究，爭(zhēng)取在未來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域內(nèi)占有一席之地。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)移動(dòng)通信寬帶和無(wú)線接入融合系統(tǒng)成為當(dāng)前熱門(mén)的研究課題，而MIMO系統(tǒng)是人們研究較多的方向之一。本文重點(diǎn)介紹MIMO技術(shù)的五大研究熱點(diǎn)。
MIMO信道的建模和仿真
為了更好地利用MIMO技術(shù)，必須深入研究MIMO信道特性，尤其是空間特性。與傳統(tǒng)信道不同的是，MIMO信道大多數(shù)情況下都具有一定的空間相關(guān)性，而不是相互獨(dú)立的。在2001年11月的3GPP會(huì)議中，朗訊、諾基亞、西門(mén)子和愛(ài)立信公司聯(lián)合提出了標(biāo)準(zhǔn)化MIMO信道的建議。3GPP和3GPP2推薦的鏈路級(jí)MIMO信道的建模方法有兩個(gè)：基于相關(guān)（Corrlration－Based）的方法和基于子徑（EAGC－A14H）的方法。盡管3GPP和3GPP2對(duì)鏈路級(jí)的信道參數(shù)進(jìn)行了定義，但是對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。研究信道的相關(guān)性對(duì)系統(tǒng)容量的影響成為MIMO技術(shù)的研究方向之一。
另外，目前對(duì)MIMO系統(tǒng)的研究都是假定在理想信道條件下進(jìn)行的，而實(shí)際上在接收端無(wú)線傳播環(huán)境中是不可能知道信道沖激響應(yīng)的，因此要進(jìn)行信道估計(jì)。由于在MIMO系統(tǒng)中進(jìn)行信道估計(jì)時(shí)，天線之間存在著干擾，因此，研究在天線之間存在干擾時(shí)的信道估計(jì)方法也是目前研究的熱點(diǎn)。
MIMO系統(tǒng)的天線選擇技術(shù)
因?yàn)槎嗵炀€需要多射頻RF電路，而RF又非常昂貴，因此，尋找具有MIMO天線優(yōu)點(diǎn)且低價(jià)格、低復(fù)雜度的最優(yōu)天線子集選擇技術(shù)極具吸引力。多天線選擇發(fā)送接收系統(tǒng)就是利用一定的準(zhǔn)則從M根發(fā)送天線中選擇MS根天線用于發(fā)送信號(hào)，同樣在接收端從N根接收天線中選擇NS根用于接收信號(hào)，這樣就構(gòu)成了選擇的MS×NS的MIMO系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，與多天線的應(yīng)用對(duì)應(yīng)，選擇準(zhǔn)則也可分為兩種：一種是以最大化多天線提供的分集來(lái)提高傳輸質(zhì)量；另一種是以最大化多天線提供的容量來(lái)提高傳輸效率。
MIMO系統(tǒng)的信號(hào)處理
早期關(guān)于MIMO技術(shù)的研究大多數(shù)還集中在單用戶點(diǎn)到點(diǎn)的環(huán)境中，而沒(méi)有考慮其他用戶的共信道干擾。最近，人們將研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到多用戶MIMO信道中。在多用戶MIMO系統(tǒng)的下行鏈路中采用空分多址（SCDMA）可以給系統(tǒng)吞吐量帶來(lái)可觀的增益。這樣的多用戶MIMO系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)發(fā)射向量以消除用戶間的共信道干擾。典型的“最佳問(wèn)題”包括功率受限時(shí)的容量問(wèn)題（最大化和信息速率）或用以滿足每個(gè)用戶特定QoS的功率控制問(wèn)題（最小化發(fā)射功率）。雖然對(duì)于一般的多用戶MIMO信道，這兩個(gè)問(wèn)題都沒(méi)有閉環(huán)解決方案，但是強(qiáng)加某些特定的限制時(shí)可以得到閉環(huán)解決方案。最常見(jiàn)的包括：塊對(duì)角化、逐次最優(yōu)化、波束成形法以及結(jié)合空時(shí)編碼來(lái)消除多用戶之間的干擾。
多天線系統(tǒng)在多址信道中的容量分析
從理論上來(lái)說(shuō)，多天線多址系統(tǒng)的容量域已經(jīng)非常清楚，但是如何讓容量域滿足各種用戶對(duì)傳輸速率的要求，仍然沒(méi)有很好地解決。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，這是一個(gè)非線性優(yōu)化問(wèn)題，采用傳統(tǒng)的凸優(yōu)化的方法雖然可以得到解決，但是計(jì)算量會(huì)非常龐大，必須尋找簡(jiǎn)單快速的方法。在某些特殊情況下，比如，多用戶和容量（所有用戶的速率加權(quán)值一樣）的優(yōu)化問(wèn)題，有文獻(xiàn)已經(jīng)提出了非常有意義的多用戶注水迭代算法，這種方法充分利用了原始優(yōu)化問(wèn)題的結(jié)構(gòu)，利用矩陣?yán)碚摵屯箖?yōu)化理論快速迭代求解。但是這種特殊情況對(duì)于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)沒(méi)有太大的意義，因?yàn)閷?shí)際網(wǎng)絡(luò)中不同用戶位于網(wǎng)絡(luò)中的不同位置，采用相同速率加權(quán)值的做法會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶的傳輸速率得不到保證，所以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期傳輸速率比較低的用戶給予較大的速率加權(quán)值以提高該用戶的傳輸速率。而在引入優(yōu)先級(jí)后，采用多用戶和容量的傳輸準(zhǔn)則就不適用了，必須采用加權(quán)和容量的準(zhǔn)則，不同用戶速率的加權(quán)體現(xiàn)了用戶的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高，用戶速率加權(quán)值越大，反之亦然。對(duì)于這種情況下的調(diào)度策略以及用戶速率分配策略，利用高斯標(biāo)量多址的容量域公式以及最優(yōu)化算法來(lái)解決這一問(wèn)題。
對(duì)于收發(fā)端都有多根天線的高斯矢量多址信道，雖然可以采用標(biāo)準(zhǔn)的凸優(yōu)化理論，但是由于這時(shí)需要優(yōu)化的參數(shù)為各個(gè)用戶發(fā)送天線上的輸入?yún)f(xié)方差矩陣，采用標(biāo)準(zhǔn)算法會(huì)非常復(fù)雜，即使利用矩陣行列式最優(yōu)化算法也會(huì)非常復(fù)雜。因此，研究最大化高斯矢量多址信道的加權(quán)和容量算法也是MIMO技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。
天線在廣播信道中的容量分析
由于存在天線間和用戶間干擾，所以多天線廣播信道屬于非退化（non－degraded）的廣播信道，并且其容量域一直不明確。對(duì)于可退化（degraded）的廣播信道，比如單天線的廣播信道，已經(jīng)有了其容量域以及各個(gè)用戶的速率分配方法。近年來(lái)，對(duì)于多天線廣播信道容量域的研究也取得了很大進(jìn)展。其中，DPC技術(shù)是解決多天線廣播信道容量域問(wèn)題的關(guān)鍵。
還有一些非DPC的干擾處理方法，比如傳統(tǒng)的波束成形（BF）技術(shù)通過(guò)在發(fā)送端設(shè)計(jì)加權(quán)矢量，使不同用戶的信號(hào)完全正交，設(shè)計(jì)加權(quán)矢量的準(zhǔn)則有迫零法（ZF）、最小化均方誤差法（MMSE）等。其他基于波束成形技術(shù)的擴(kuò)展技術(shù)包括聯(lián)合信道對(duì)角化、擾動(dòng)的預(yù)信道均衡等。
多入多出(MIMO)技術(shù)祥解
多入多出(MIMO)或多發(fā)多收天線(MTMRA)技術(shù)是無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。
那么MIMO技術(shù)究竟是怎樣的？
實(shí)際上多進(jìn)多出（ＭＩＭＯ）技術(shù)由來(lái)已久，早在１９０８年馬可尼就提出用它來(lái)抗衰落。在70年代有人提出將多入多出技術(shù)用于通信系統(tǒng)，但是對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動(dòng)的奠基工作則是90年代由AT&TBell實(shí)驗(yàn)室學(xué)者完成的。1995年Teladar給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia給出了一種多入多出處理算法——對(duì)角-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等討論了用于多入多出的空時(shí)碼；1998年Wolniansky等人采用垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(V-BLAST)算法建立了一個(gè)MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗(yàn)中達(dá)到了20bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統(tǒng)中極難實(shí)現(xiàn)。這些工作受到各國(guó)學(xué)者的極大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速發(fā)展。
一句話，MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put）系統(tǒng)就是利用多天線來(lái)抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO（Single-InputSingle-Output）系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO（Single-InputMulti-ple-Output）系統(tǒng)和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統(tǒng)。
MIMO的概念
通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對(duì)多徑無(wú)線信道來(lái)說(shuō)的。圖1所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖。傳輸信息流s(k)經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci(k)，I=1，……，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開(kāi)并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。
特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。
MIMO將多徑無(wú)線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。
系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對(duì)于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
其中B為信號(hào)帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時(shí)，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量?jī)H隨天線數(shù)的對(duì)數(shù)增加而增加。相對(duì)而言，多入多出對(duì)于提高無(wú)線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。
可以看出，此時(shí)的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說(shuō)可以利用ＭＩＭＯ信道成倍地提高無(wú)線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用ＭＩＭＯ技術(shù)可以提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。目前ＭＩＭＯ技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。常見(jiàn)的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼。空時(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。
MIMO研究狀況
目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)于MIMO的理論、性能、算法和實(shí)現(xiàn)的各方面正廣泛進(jìn)行研究。
在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面已有一批文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)涉及相當(dāng)廣泛的內(nèi)容。但是由于無(wú)線移動(dòng)通信MIMO信道是一個(gè)時(shí)變、非平穩(wěn)多入多出系統(tǒng)，尚有大量問(wèn)題需要研究。比如說(shuō)，各文獻(xiàn)大多假定信道為分段-恒定衰落信道。這對(duì)于寬帶信號(hào)的4G系統(tǒng)及室外快速移動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不夠的，因此必須采用復(fù)雜的模型進(jìn)行研究。已有不少文獻(xiàn)在進(jìn)行這方面的工作，即對(duì)信道為頻率選擇性衰落和移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)情況進(jìn)行研究。再有，在基本文獻(xiàn)中，均假定接收機(jī)精確已知多徑信道參數(shù)，為此，必須發(fā)送訓(xùn)練序列對(duì)接收機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練。但是若移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度過(guò)快，就使得訓(xùn)練時(shí)間太短，這樣快速信道估計(jì)或盲處理就成為重要的研究?jī)?nèi)容。
另外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步。實(shí)際系統(tǒng)研究的一個(gè)重要問(wèn)題是在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)多天線和多路接收，學(xué)者們正大力進(jìn)行這方面的研究。由于移動(dòng)終端設(shè)備要求體積小、重量輕、耗電小，因而還有大量工作要做。目前各大公司均在研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
Bell實(shí)驗(yàn)室的BLAST系統(tǒng)[4]是最早研制的MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9GHz，發(fā)射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。頻譜利用率達(dá)到了25.9bits/(Hz·s)。但該系統(tǒng)僅對(duì)窄帶信號(hào)和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了研究，對(duì)于在3G、4G應(yīng)用尚有相當(dāng)大距離。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)受到衰落。在上述具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，每一基臺(tái)各設(shè)置2副發(fā)送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設(shè)置1副發(fā)送天線和3副接收天線，即下行通路設(shè)置2×3天線、上行通路設(shè)置1×3天線。這樣與“單輸入/單輸出天線”SISO相比，傳輸上取得了10～20dB的好處，相應(yīng)地加大了系統(tǒng)容量。而且，基臺(tái)的兩副發(fā)送天線于必要時(shí)可以用來(lái)傳輸不同的數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶傳送的數(shù)據(jù)速率可以加倍。
朗訊科技的貝爾實(shí)驗(yàn)室分層的空時(shí)（ＢＬＡＳＴ）技術(shù)是移動(dòng)通信方面領(lǐng)先的ＭＩＭＯ應(yīng)用技術(shù)，是其智能天線的進(jìn)一步發(fā)展。BLAST技術(shù)就其原理而言，是利用每對(duì)發(fā)送和接收天線上信號(hào)特有的“空間標(biāo)識(shí)”，在接收端對(duì)其進(jìn)行“恢復(fù)”。利用BLAST技術(shù)，如同在原有頻段上建立了多個(gè)互不干擾、并行的子信道，并利用先進(jìn)的多用戶檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)準(zhǔn)確高效地傳送用戶數(shù)據(jù)，其結(jié)果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLAST技術(shù)證明，在天線發(fā)送和接收端同時(shí)采用多天線陣，更能夠充分利用多徑傳播，達(dá)到“變廢為寶”的效果，提高系統(tǒng)容量。理論研究業(yè)已證明，采用BLAST技術(shù)，系統(tǒng)頻譜效率可以隨天線個(gè)數(shù)成線性增長(zhǎng)，也就是說(shuō)，只要允許增加天線個(gè)數(shù)，系統(tǒng)容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術(shù)有著非常大的潛力。鑒于對(duì)于無(wú)線通信理論的突出貢獻(xiàn)，BLAST技術(shù)獲得了2002年度美國(guó)ThomasEdison（愛(ài)迪生）發(fā)明獎(jiǎng)。2002年10月，世界上第一顆BLAST芯片在朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，貝爾實(shí)驗(yàn)室研究小組設(shè)計(jì)小組宣布推出了業(yè)內(nèi)第一款結(jié)合了貝爾實(shí)驗(yàn)室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技術(shù)的芯片，這一芯片支持最高4×4的天線布局，可處理的最高數(shù)據(jù)速率達(dá)到19.2Mbps。該技術(shù)用于移動(dòng)通信，BLAST芯片使終端能夠在3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中接收每秒19.2兆比特的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在，朗訊科技已經(jīng)開(kāi)始將此BLAST芯片應(yīng)用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同時(shí)還計(jì)劃授權(quán)終端制造商使用該BLAST芯片，以提高無(wú)線3G數(shù)據(jù)終端支持高速數(shù)據(jù)接入的能力。
2003年8月，AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi芯片組，并稱其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技術(shù)的批量上市產(chǎn)品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術(shù)，將現(xiàn)在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同時(shí)保持與所有常用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。該產(chǎn)品集成兩片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一種可伸縮結(jié)構(gòu)，使制造商可以只使用一片RF芯片實(shí)現(xiàn)單天線系統(tǒng)，或增加其他RF芯片提升性能。該芯片支持所有的802.11 a、b和g模式，包含IEEE 802.11工作組推出最新標(biāo)準(zhǔn)(包括TGi安全和TGe質(zhì)量的服務(wù)功能)。Airgo的芯片組和目前的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持802.11a, "b,"和"g"模式，使用三個(gè)5-GHz和三個(gè)2.4-GHz天線，使用Airgo芯片組的無(wú)線設(shè)備可以和以前的802.11設(shè)備通訊，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設(shè)備通訊的同時(shí)還可以以108Mbps的速度和Airgo的設(shè)備通訊。
憑借在提高系統(tǒng)頻譜利用率方面卓越的性能表現(xiàn)，多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中炙手可熱的課題。
4G通信中的多入多出（MIMO）技術(shù)
新一代移動(dòng)通信(beyond3G/4G)將可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100Mbit/s，甚至更高，支持的業(yè)務(wù)從語(yǔ)音到多媒體業(yè)務(wù)，包括實(shí)時(shí)的流媒體業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸速率可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)所需的速率不同動(dòng)態(tài)調(diào)整。新一代移動(dòng)通信的另一個(gè)特點(diǎn)是低成本。這樣在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)高速率和大容量，需要頻譜效率極高的技術(shù)。MIMO技術(shù)充分開(kāi)發(fā)空間資源，利用多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。OFDM技術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，其多載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。
另外，OFDM將總帶寬分割為若干個(gè)窄帶子載波可以有效地抵抗頻率選擇性衰落。因此充分開(kāi)發(fā)這兩種技術(shù)的潛力，將二者結(jié)合起來(lái)可以成為新一代移動(dòng)通信核心技術(shù)的解決方案，下面詳細(xì)介紹這兩種技術(shù)及其二者的結(jié)合方案。
MIMO技術(shù)
MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)系統(tǒng)，該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來(lái)抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。
可以看出，此時(shí)的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說(shuō)可以利用MIMO信道成倍地提高無(wú)線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。
利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實(shí)驗(yàn)室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的無(wú)線通信不能滿足要求。ZF算法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)信道的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實(shí)際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術(shù)得出的。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。常見(jiàn)的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼。空時(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。
OFDM技術(shù)
OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)實(shí)際上是MCM(Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)制)的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ICI)。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。
結(jié)合簡(jiǎn)要介紹OFDM的工作原理，輸入數(shù)據(jù)信元的速率為R，經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后，分成M個(gè)并行的子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流的速率為R/M，在每個(gè)子數(shù)據(jù)流中的若干個(gè)比特分成一組，每組的數(shù)目取決于對(duì)應(yīng)子載波上的調(diào)制方式，如PSK、QAM等。M個(gè)并行的子數(shù)據(jù)信元編碼交織后進(jìn)行IFFT變換，將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域，IFFT塊的輸出是N個(gè)時(shí)域的樣點(diǎn)，再將長(zhǎng)為L(zhǎng)p的CP(循環(huán)前綴)加到N個(gè)樣點(diǎn)前，形成循環(huán)擴(kuò)展的OFDM信元，因此，實(shí)際發(fā)送的OFDM信元的長(zhǎng)度為L(zhǎng)p＋N，經(jīng)過(guò)并/串轉(zhuǎn)換后發(fā)射。接收端接收到的信號(hào)是時(shí)域信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后移去CP，如果CP長(zhǎng)度大于信道的記憶長(zhǎng)度時(shí)，ISI僅僅影響CP，而不影響有用數(shù)據(jù)，去掉CP也就去掉了ISI的影響。
OFDM技術(shù)之所以越來(lái)越受關(guān)注，是因?yàn)镺FDM有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
(1)頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線環(huán)境中很重要。OFDM信號(hào)的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。
(2)抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，由于OFDM系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分散到許多個(gè)子載波上，大大降低了各子載波的符號(hào)速率，從而減弱多徑傳播的影響，若再通過(guò)采用加循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔的方法，甚至可以完全消除符號(hào)間干擾。
(3)采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。通過(guò)選取各子信道，每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。即要求各子信道信息分配應(yīng)遵循信息論中的“注水定理”，亦即優(yōu)質(zhì)信道多傳送，較差信道少傳送，劣質(zhì)信道不傳送的原則
(4)通過(guò)各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒(méi)有必要再加時(shí)域均衡器。但通過(guò)將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，可以使系統(tǒng)性能得到提高。
(5)基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用DSP實(shí)現(xiàn)。
MIMO與OFDM的結(jié)合
MIMO系統(tǒng)在一定程度上可以利用傳播中多徑分量，也就是說(shuō)MIMO可以抗多徑衰落，但是對(duì)于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)依然是無(wú)能為力。目前解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術(shù)，還有一種是利用OFDM。大多數(shù)研究人員認(rèn)為OFDM技術(shù)是4G的核心技術(shù)，4G需要極高頻譜利用率的技術(shù)，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的，在OFDM的基礎(chǔ)上合理開(kāi)發(fā)空間資源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外ODFM由于碼率低和加入了時(shí)間保護(hù)間隔而具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡(luò)(SFN)可以用于寬帶OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機(jī)組成的發(fā)射機(jī)陣列消除陰影效應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。下面給出MIMO+OFDM的結(jié)合方案。
這樣在接收端接收到的第l個(gè)子載波頻率上的N個(gè)符號(hào)可以通過(guò)V-BLAST算法進(jìn)行解譯碼，重復(fù)進(jìn)行L次以后，NL個(gè)M-QAM符號(hào)可以被恢復(fù)出來(lái)。