MIMO 通 信 系 统 研 究 Research of MIMO Communication System 张建华 邢 超 Zhang Jianhua Xing Chao （河南工业大学信息科学与工程学院，河南 郑州 450001） (College of Information Science and Engineering, Henan University of Technology, Henan Zhengzhou 450001) 摘 要：MIMO 无线传输技术能在不增加带宽与功率的情况下成倍地提高无线通信系统的容量和频谱效率，因此成为新一 I M M O 通 信 系 统 研 究 代无线通信系统中的关键技术之一 本文对 MIMO 无线通信系统原理结构及其关键技术进行了分析介绍 。 关键词：MIMO ; 空间分集; 空时信号处理 中图分类号：TN911 文献标识码：A 。 文章编号：1671-4792-(2008)8-0058-02 Abstract： MIMO can be doubled to increase the capacity and spectrum efficiency of wireless communica- tions systems, without increase bandwidth and power, and then it is the one key technologies of new genera- tion of wireless communication system. In this paper, introduced MIMO wireless communication system struc- ture and key technologies. Keywords: MIMO; Spatial Diversity; Space-time Signal Processing 0 引言 MIMO 技术是指在发射端通过多个发射天线传送信号， 在接收端使用多个接收天线接收信号的无线通信技术，目前 理论已经证明应用 MIMO 技术能极大地提高无线通信系统的 性能和容量。贝尔实验室率先对 MIMO 系统的信道容量进行 深入分析，并提出了贝尔实验室分层空时算法（BLAST），其适 用于诸如室内无线局域网（WLAN）、固定无线接入网，建筑物 间的无线通信等。 1 MIMO 无线通信系统 传统无线通信系统采用一个发射天线和一个接收天线， 称作单入单出（SISO）系统。SISO 系统在信道容量上具有一 个不可突破的瓶颈———香农容量限制，不管采用何种调制、 编码策略，无线信道总是局限于这个实际的物理限制。传统 通信理论一直将多径传播视为信号传输的一种不利因素，因 具有不同延时的多径信号副本相叠加会产生破坏性干扰，使 链路性能不稳定。为对抗移动通信中的多径衰落,提高链路 的稳定性，人们提出了天线分集技术，而联合应用天线分集 与时间分集，还能获得空间维与时间维的分集效益。因此，从 传统单天线系统向多天线系统演进是无线通信发展的趋势。 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。 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。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 信道模型如图一所示。 图一 MIMO 系统模型 图一给出了一个典型的 N 发 M 收 MIMO 系统模型，其中 x=（X1，…，Xn）T 为发射信号，y=（Y1，…，Ym）T 是接收信号，H 为 N×M 的信道矩阵，w=（W1，W2，…，Wm）T 是接收端白噪声矢 量，Wm 为第 m 个接收天线上的附加噪声，其中上标 T 表示矩 阵转置，则：y=Hx+w。MIMO 技术利用了无线信道多径传播的 固有特性：如果在发送端与接收端同时采用多天线系统，只 53 

科技广场 2008.8 要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足 空时信号处理是随着 MIMO 技术而诞生的一个概念，与 够丰富，各对发 - 收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即 各对等效的发 - 收天线间的无线传输信道趋于独立，亦即这 些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相互正交，从 而在接收端接收机采用先进的信号处理技术对各接收信号 联合处理，可恢复出原始数据信号。 2 MIMO 关键技术 2.1 空间分集 无线通信中, 空间略有变动就可能出现较大的场强变 化。当使用多个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关 的，且在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小。因 此这一设想引出了在发射端或接收端设置多个天线，独立地 接收同一信号，再合并输出，实现空间发射分集或空间接收 分集，这就是空间分集。空间分集技术在无线通信中广泛采 用，是用来克服无线传输中信道衰落的一种有效技术。 常见的空间分集方式有接收分集(Seceive Diversity) 和发射分集(Transmit Diversity)。传统的空间分集方法是 采用接收分集，即在接收端采用多个天线接收，在每一个接 收天线上得到一个信号的副本，再通过适当的合并方式，提 高接收信号的性能。发送分集是在发送端采用多个天线发送 信号，每个天线平均分配信号的发射功率，而在接收端只采 用一个天线来接收。联合考虑接收分集和发射分集，就构成 了 MIMO 系统。 2.2 无线信道建模 传统信号处理方式的不同之处在于其同时从时间和空间两 方面研究信号的处理问题。空时信号处理包括发射端的信令 方案和接收端的检测算法。 从信令 方 案的 角 度 看，MIMO 可 以 大 致分 为 空 时编 码 （Space Time Coding）和空间复用（Spatial Multiplexing） 两种。空时编码在发射端对数据流进行联合编码以减小由于 信道衰落和噪声所导致的符号错误率，增加信号的冗余度， 从而使信号在接收端获得最大的分集增益和编码增益；它的 缺点是无法提高数据传输速率。空间复用在接收端和发射端 使用多个天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一信 道上使用 MIMO 子信道发射信号，从而使得信道容量随着天 线数量的增加而线性增加。空间复用能最大化 MIMO 系统的 平均发射速率，但只能获得有限的分集增益。将空时编码和 SM 相结合，能在保证每个数据流获得最大分集增益的条件 下，最大化平均数据率，从而得到高频谱效率和传输质量的 良好折中。 3 结束语 在有限的无线频谱资源条件下，只有极大地提高频谱利 用率才能使系统容量更高，采用多输入多输出(MIMO)天线技 术可以满足要求。MIMO 技术是无线通信领域重大的技术突 破，将成为未来无线宽带移动通信系统和无线宽带接入系统 的关键技术。 MIMO 系统利用无线信道的多径传播，建立空间并行矩 参考文献 阵传输通道，利用空时联合处理提高无线通信系统的容量与 可靠性。然而，决定空时处理性能的关键因素在于无线传播 信道的空时特性。研究表明，只有在无线信道散射传播的多 径分量足够丰富的条件下，各对发—收天线单元间的多径衰 落才相互独立，信道矩阵才趋于满秩；如果散射不够丰富或 [1]赵亚男，张禄林，吴伟陵.MIMO 技术的发展与应用 [J].电讯技术，2005,(1). [2]束锋，颜永庆，陈明等.MIMO 无线通信系统的关键技 术和应用前景[J].江苏科技，2005,(5). [3]李忻，黄绣江，聂在平.MIMO 无线传输技术综述[J]. 天线单元间距较小等，多径衰落将不完全独立，信道矩阵也 无线电工程，2006,(8). 非满秩，MIMO 信道的空间优势将得不到充分发挥，MIMO 系统 [4]罗涛，李少谦.MIMO 技术的发展[J].中兴通讯技术， 传输方案的性能将下降，即信道传播条件决定了 MIMO 系统 的信道容量。一方面，需开发更加稳健的空时处理算法，如空 时编解码、空时均衡与 MIMO 收发信机算法；另一方面，需开 发 MIMO 无线信道模型及模拟各种实际信道条件，评估各种 空时处理算法的相对性能，仿真与优化设计高性能的通信系 统。 2.3 MIMO 空时信号处理技术 2006,(2). [5]张作富，易扬，李晓飞.无线通信领域中的 MIMO 与空 时编码技术[J].天津通信技术，2004,(3). 作者简介 张建华（1978—），男，河南郑州人，讲师，主要从事通信 信息系统的研究及电子技术教学。 54