1、1MIMO 技术及其应用研究信息工程系 郭振民摘 要: 在无线通信中，受多径干扰的影响，传输信号有较大的失真。采用空间分集技术，通过使用多个发送天线和多个接收天线，可以在一定程度上保证传输的信号质量。技术研究和分析表明无线移动通信领域智能天线的重大突破就是MIMO 技术，它能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是下一代移动通信系统中最富有竞争力的技术之一。文中给出了多输入多输出（MIMO）技术的概念，分析了 MIMO 系统的容量和 MIMO-OFDM 系统的组合结构。关键词: 空间分集，多输入多输出技术，正交频分复用技术1 引言多输入多输出技术（Multiple-Inpu
2、t Multiple-Output，MIMO）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，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势,被视为下一代移动通信的核心技术 1。OFDM 作为多载波调制技术具有频谱利用率高、抗选择性衰落能力强等突出的优点，具有广阔的应用前景，被认为是第四代移动通信的支柱技术。如何使二者优势互补，有效整合，便成为国内外学者广泛关注的热点。本文介绍了 MIMO 技术的概念，分析了系统容量，给出了 MIMO 技术与
3、 OFDM 技术有效整合的实用方案，这些研究对促进移动通信技术的发展有一定指导意义。2 MIMO 系统原理MIMO 系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个通道，如图 2.1 所示。C1(k) R1(k)Sj(k)CM(k) RN(k)图 2.1 MIMO 系统原理信源空时编码空时编码信宿2传输信息流 S（k）经过空时编码形成 M 个信息子流 ，这 MiC(),12,.k个子流由 M 个天线发送出去，经空间信道后由 N 个接收天线接收，多天线接收机能够利用先进的空时编码处理技术分开并解码这些数据子流，从而实现最佳处理。MIMO 是在收发两端使用多个天线，每个收发天线之间对应一个 MIMO 子信
4、道，在收发天线之间形成 信道矩阵 H，在某一时刻 t,信道矩阵为：N(2.1)1,2,1,21,2,.().ttMttttNNh其中 H 的元素是任意一对收发天线之间的增益。M 个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一个频带，因而并未增加带宽。若各发射天线间的通道响应独立，则 MIMO 系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行的信道独立传输信息，必然可以提高数据传输速率。对于信道矩阵参数确定的 MIMO 信道，假定发射端总的发射功率为 P，与发送天线的数量 M 无关；接收端的噪声用 矩阵 n 表示，其元素是独立的零均值高斯复数变量，各个接1N收天线的噪声功率均为 ； 为接地端平均信噪比。此时
5、，发射信号是 M 维统2计独立，能量相同，高斯分布的复向量。发射功率平均分配到每一个天线上，则容量公式 4为：(2.2)det(log2HNMIC固定 N，令 M 增大，使得 ，这时可以获得到容量的近似表达式：1NI(2.3)(log2det 代表行列式，I N代表 M 维单位矩阵，H H表示 H 的共扼转置。从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数的增加而线性增大。即可以利用 MIMO 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发射功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高,充分展现了 MIMO 技术的巨大优越性。3 MIMO 技术的应用方案前面分析指出 MIMO 技术优势明显，但对频率选择
6、性衰落无能为力，而 OFDM技术却有很强的抗频率选择性衰落的能力。因此将两种技术有效整合，便成为最佳的实用方案，如图 3.1 所示。311 2L2N图 3.1 MIMO+OFDM 实现框图在本方案中，数据应进行两次串并转换，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成 L 个并行数据流，分别对应 L 个子载波，接着对这 L 个并行数据流进行 IFFT 变换，再将信号从频域转换到时域，然后从第 n（n 1， N）个天线上发送出去。这样共有 NL 个 M-QAM(正交振幅调制)符号被发送。整个 MIMO 系统假定具有 N 个发送天线，M
7、个接收天线。在接收端第 m（m 1，M）个天线接收到的第 l（l 1，L）个子载波的接收信号为：（l=1，.,L） （3.1）,1NmlnllmlrHC其中 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,nl间的信道矩阵，并且假定该信道矩阵在接收端是已知的， 是第 l 个子载 ,nlC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,ml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 符号就可以被恢复出来。信 源(二进制
8、)信号映 射（ M-QAM）S/P1NS/P1LS/P1LS/P1LOFDM调 制OFDM调 制OFDM调 制4MIMO OFDM 系统，通过在 OFDM 传输系统中采用天线阵列来实现空间分集，以提高信号质量，是 MIMO 与 OFDM 相结合而产生的一种新技术。它采用了时间、频率结合空间三种分集方法，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。深刻揭示了 MIMO-OFDM 系统的技术原理与理论基础。图 3.2、3.3 分别为 MIMO OFDM 系统的发射与接收方案原理框图。从图中可以看出，MIMO+OFDM 系统有 个发送天线和 个接收天线，在发送端和接收端设tNrN置多重天线，可以提供
9、空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。输入的比特流经串/并变换分为多个分支，每个分支都进行 OFDM 处理，即经过编码、交织、正交振幅调制映射、插入导频信号、离散逆傅立叶变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无线信道中。接收端进行与发送端相反的信号处理过程，例如：去除循环前缀、离散傅立叶变换、解码等，同时进行信道估计、定时、同步、MIMO 检测等，以恢复出原来的比特流。图 3.2 MIMO-OFDM 系统的发送方案4 结论MIMO 和 OFDM 技术在各自的领域都具有显著的优势，发挥着巨大的作用，如今将二者结合并应用到下一代无线
10、移动通信局域网中，正在成为无线通信的一个研究热点。二者的结合势必使无线局域网向着更高的速率、更大的容量、更好的性能的方向发展，必将促进移动通信技术实现新的跨越。S/P编码交织 QAM 映射插入保护间隔 隔IDFT加CP发送端1编码交织 QAM 映射插入保护间隔 隔隔隔IDFT加CP发送端NtS1(0)S1(NT-1)1Nt5图 3.3 MIMO-OFDM 系统的接收方案参考文献1赵亚男，张禄林，吴伟陵.MIMO 技术的发展与应用.电视技术J,2005,(1):7112任立刚，宋梅，郗松楠，等.移动通信中 MIMO 技术J.现代电信技术，2004， （1）：42453梁红玉，吴伟陵.MIMO 系统的信道容量.技术交流J，2003， （2）：60614G.J.Foschini&M.J.Gans. On Limits of Wireless Communications in a Fading Environment when Using Multiple Antennas. Wireless Personal CommunicationJ, 1998 (6):311334检测编码DFTDFT去CP去CP时频同步接收端接收端信道估计
