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MIMO 技术研究现状与发展
程婷婷
中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 (221008)
摘 要： MIMO一种用于无线通信的天线技术，它利用多天线来抑制信道衰落，在不增加
带宽和天线发射功率的情况下，成倍地提高无线通信系统的信道容量，降低误码率。本文阐
述了MIMO的模型与关键技术，详细叙述了MIMO技术的研究现状，并结合MIMO实际运
用，对MIMO的研究热点与发展趋势等做了较为全面的介绍。
关键词： 多输入多输出技术；信道建模；空时编码；3G
引言
在无线通信的快速发展的今天，频率资源的严重不足目益成为遏制无线通信发展的瓶
颈。尤线通信正朝着大容量、高传输率和高可靠性的方向发展，针对有限的频谱资源，如何
最大限度地提高频谱利用率，成为当前研究的一个热门课题。多输人多输出(MIMO)技术是
众多方法中很有潜力和优势的一项技术。
多输人多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术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。实验室的研究证明，采用 MIMO 技术在室内传播
环境下的频谱效率可以达到 20-40bit/s/Hz，而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效
率仅为 1-5bit/s/Hz，在点到点的固定微波系统中也只有 l0-12bit/s/Hz。MIMO 技术作为提高
数据传输速率的重要手段受到人们越来越多的关注[1] 。
1. MIMO 模型与核心技术
MIMO 的模型
多进多出(MIMO)技术实际上由来已久，早在 1908 年马可尼就提出用它来抗衰落。在
70 年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产
生巨大推动的奠基工作则是 90 年代由 AT&T Bell 实验室学者完成的。图 l 示出了一个基本
的 MIMO 系统框图。
图 1 基本的 MIMO 系统框图
MIMO 技术的原理是不同路的数据流从不同的发射天线同时、同频发射，经过空间信道
衰落后，来自不同发射天线的信号在每一根接收天线上叠加。最后送入接收机进行信号合并
处理，这样就改进了每个 MIMO 用户的通信质量和速率[2]。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，
发
射
机
接
收
机
s1
s2
sM
r2
r1
rN
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MIMO 有效地利用随机衰落来提高传输速率。
MIMO 核心技术
信道建模
Telatar 和 Foschini 认为发送天线和接收天线的多对信道之间是完全不相关的，每个信道
服从独立相同 Rayleigh 分布，也就是窄带，且信道相关矩阵是满。但是这样假定的信道过
于简单，实际信道具有空间的相关性，2001 年 工作组提出了 6 个典型的适用于
2 个发送天线和 2 个接收天线的宏蜂窝固定无线宽带信道模型。
MIMO 信道建模必须综合考虑到天线多极化、天线间相关性及信道间相关性、Kronecker
积的有效性和验证的锁眼效应，目前 MIMO 信道建模方法主要有物理建模和解析建模。前
者又包括射线追踪法、物理统计法、基于几何的随机法和双方向信道法(DDCM)。欧洲合作
组织正在进行的 COST237 工程就是采用 DDCM，目前微蜂窝和宏蜂窝移动宽带 MIMO 信
道还没有标准化，因此，全球的 MIMO 信道建模是一个非常活跃的领域。
空时编码
空时编码(STC)是利用发射端和接收端多个天线，构造时间和空间两维信号处理来构造
码字。达到有效抵消衰落。提高功率效率：并且能够在传输信道中实现并行的多路传送，提
高频谱效率。为了充分利用多散射体所造成的多径冈素。要求天线间距应适当拉开以保证发
射、接收信号相互独立性。
空时编码的基本工作原理是：从信源给出的信息数据流到达空时编码器后，数据被串并
转换成若干个数据流。数据流经调制形成多个矢量输出。通常称这些输出为空时符号(STS)
或者空时矢量符(STVS)。目前空时编码方式主要有 3 种：分别为贝尔分层空时结构(Layered
Space—time Codes)、空时格型编码(Space—time Trellis Codes)、空时分组码(Space—time
Block Codes)。
衡量空时编码的性能参数有 2 个： 一个是采用多天线发送与接收所获得的分集增益，
它决定误码率曲线随信噪比增加下降的速度；另一个是编码所获得的编码增益，它在分集增
益确定的情况下．可以决定误码率曲线的平移[3]。
2. MIMO 技术现状
在 MIMO 系统理论及性能研究方面已有一批文献[4]。至 2008 年年底，IEEE 数据库收录
该领域的研究论文已达数千篇，从 MIMO 无线通信技术的理论研究到实验验证，再到商用
化的各个方面。这些文献涉及相当广泛的内容，但是由于无线移动通信 MIMO 信道是一个
时变、非平稳多输人多输出系统，尚有大量问题需要研究。
空时编码是 MIMO 的基本问题。为了在 4G 等新一代系统中实际应用 MIMO，新一代
无线通信系统计划采用空时处理技术，例如 宽带固定无线接人标准的物理层
把空时码作为内码，RS 码作为外码；欧洲 WND—FLEX 项目研究空时处理用于室内
64-100Mbit/s 的无线自适应 MODEM。而数据速率 20 Mbit/s、带宽效率提高 20％的空时码
是 4G 的重要技术之一[5]。
Hochwaldl[6]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情况，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，Liu [7]基于秩理论提出了全分集和全速率空时 Turbo 码，
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Cui 等[8]研究了并行级联 Turbo 空时码，Sallathurai 等[9]针对 V-BLAST 的问题，提出采用软
对消方式实现检测的 TURBO 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[10]提出了一种 OFDM 与空时
码结合的 MIMO 方案，Goeckel 等[11]提出了用于 OFDM 的多维信号集，Wang 等[12]研究了
在相关衰落信道情况 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 Hanzolo[13]的文章对空时码与信道码的级联进行了很好的综述。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。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。
3. MIMO 研究热点与发展趋势
2007 年 10 月，以 MIMO 技术为基石的 WiMAX 协议正式成为 3G 入围标准同样。面
向 4G 的 标准也是应用 MIMO 技术实现“快速移动状态”下 100 Mb/s 的传输速
率。其他无线标准组织 WiBro、 等也在探讨深入应用 MIMO 技术。迅速发展的 MIMO
技术已越来越多地应用于各种具体的无线通信系统。虽 MIMO 技术已经取得相当大的进展，
但是在实际的系统中要达到 MIMO 理论上的容量增加仍然有许多技术难点。这些技术难点
也是目前 MIMO 技术的研究热点。
信道建模和信道容量
研究 MIMO 技术时必须考虑信道模型和信道容量。实现 MIMO 系统实际增益的关键在
于建立更准确的信道模型，在对 MIMO 信道容量进行研究时，应该考虑多径，考虑衰落之
间的相关性对信道容量的影响。
MIMO 系统的信号设计和信号处理
MIMO 信道的识别、对于已知信道应如何设计最佳发送信号——设计出适合于大多数信
道模型的通用信号、接收端信号处理如何对应信号设计，这些都是实际可用的 MIMO 系统
必须考虑的问题。使用最优的发送信号方案，可以大大简化对接收信号的处理。一旦发送方
案确定，就可以确定各种接收端的结构，当前的研究热点是考虑信号处理结构在性能和处理
复杂性两者之间折衷。
MIMO 技术的应用
MIMO 在 3G 中的应用
随着第三代移动通信技术的发展和高速下行分组接入 HSDPA 对高速数据传输的要求。
人们提出了基于 MIMO 技术与 CDMA 系统相结合的码复用方式。所谓码复用方式是指通过
多根天线上发送的不同数据层，采用相同扩频码集。使得每一数据层中多个 CDMA 码道上
的数据可以用它们采用的不同扩频码区分，共享同一个扩频码的不同层中的数据可以用它们
经历的不同空间信道特性进行区分[14]。
同时在 WCDMA 中，人们提出了分层蜂窝结构 HCS 分层蜂窝结构是由微小区、宏小区
2 层组成，也可以由微微小区、微小区、宏小区 3 层组成。HCS 中的微微小区覆盖半径为几
十米到几百米。因此，HCS 微微小区的通信环境刚好满足室内 MIMO 系统的要求，将 MIMO
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的高吞吐量与 HCS 的大覆盖面积相结合，既能得到微微小区的单位面积上的大用户数的优
势，又可以利用 MIMO 系统的单位频谱上的高效率可以满足大部分的通信需求。在美国拉
斯韦加斯举办的 2006 年 CTIA 无线通信展上。爱立信公司完成了全球首次基于多输人多输
出技术的高速分组接入演示。演示的结果表明采用 MIMO 技术的 HSPA 可把下行链路的传
输速率提高 1 倍至 28 Mb/s 由于 MIMO 作为 3GPP 版本 7 的基石之一，爱立信于 2008 年在
商业网络中采用 MIMO 技术。
MIM0 在 UWB 中的应用
超宽带是指信号的-10dB 相对带宽超过中心频率的 20％或-10dB 绝对带宽超过 500
MHz。抗多径衰落是超宽带技术最显著优点。这是因为 UWB 系统中信号带宽有几个吉赫，
具有很高的分辨率，能够分别达到纳秒级的多径信号。在有限的空间内 UWB 系统能够提高
分集增益，实现分集接收。
将 MIMO 技术可以和 UWB 系统进行结合，可以提高 UWB 系统链接可靠性和速率适配
能力。同时 UWB 系统中的非常窄的脉冲可以提高接收端分集接收的有效性[15]，因此将 2 项
技术结合的系统能够在时域上有效的降低码间干扰等问题，显著提高系统性能。
MIMO 在 WiMAX 中的应用
全球微波接入互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)是一项以
系列标准为基础的宽带无线城域网接人技术。最大传输速度 75Mb/s、最大传输
距离为 50km，实现固定、移动、便携式环境下高速数字信息与多媒体业务，在无需直接视
距基站情况下也可以提供 1km 左右的无线宽带接入。
基于 标准的 WiMAX 系统支持包括自适应天线系统 AAS (或称智能天线系
统)和 MIMO 技术在内的多天线技术。相比而言，MIMO 技术性能更优越。如采用 4 天线阵
元的 WiMAX，AAS 能将系统吞吐量提高 50％；MIMO 却能将系统吞吐量提高 1 倍左右
AAS 对信道准确可靠估计要求较高，移动便携式环境下城域网多径弥散环境对系统影响较
大[16]。因此，MIMO 技术更能满足 WiMAX 发展需要，支持 MIMO 技术的 WiMAX 系统正
广泛应用于无线城域网中。
MIMO-0FDMA 技术
MIMO-OFDMA 是下一代通信系统中最具有革命性的技术．是 3GPP LTE 提高峰值速率
和服务质量(QoS)的基础。MIMO 技术在提高频带利用率上有杰出表现，然而占用频带越宽，
多径效应越明显。传统的单载波系统为了实现 MIMO 检测而不得不大大增加接收机的复杂
度．而 OFDM 的出现恰好可以解决这一问题。OFDM 可以有效减弱频率选择性衰落的影响
和码间干扰，所以很适合在无线宽带信道中实现高速率的数据传输。同时 OFDM 由于使用
了 FFT/IFFT 而变得很容易实现，并且在每个子载波上使用 AMC 可以更有效利用频带。
OFDMA 是建立在 OFDM 基础上的完成子信道分配功能的多址接入技术，它和 MIMO 结合，
使有频率选择性的 MIMO 信道可以被分成许多平坦的子信道．同时使 MIMO 的检测系统简
化。
MIMO 在未来网络中的应用
在未来的 4G 系统中，MIMO 技术将发挥巨大的作用，但还有很多工作需要广大学者进
行：研究开发适合蜂窝网络的 MIMO 链路；设计利用 MIMO 信道实现在降低干扰和提高速
率之间最优的折衷算法；MIMO 算法如何应用在由于用户移动造成的快速时变信道中；减少
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附加天线所带来的干扰；基于 MIMO 的物理层和 MAC(媒体接人控制)层主要功能的分析及
两者之间的相互作用；多用户情况下所引入的多址干扰等。
4. 结语
MIMO 技术的研究与应用是近 10 年来无线通信领域重大的技术突破，MIMO 技术以其
能够显著扩大系统信道容量、改善系统性能、提高频带利用率等特有的优点将成为下一代无
线通信系统中的关键技术之一。目前 MIMO 技术在通信理论方面还有待于进一步研究与完
善,随着人们对无线通信的需求不断提高．MIMO 技术一定有广泛的应用前景。
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Present Research and Development of MIMO Technology
CHENG Ting-ting
College of Information and Electrical Engineering, CUMT, Xuzhou Jiangsu (221008)
Abstract
MIMO is used for wireless communicative air wire technology. The technologies can multiply the
channel capacity and reliability of wireless communication system with the same frequency at no
additional power expenditure, reduce the error rate. The model and the key technologies of MIMO
were explained, the present research was expatiated and a full-scale introduction of the research
hotspots and development directions of MIMO based on the applications of MIMO was given.
Keywords: multiple-input multiple-output; channel model; space-time coding; 3G
