2007年6月
第2卷第2期
贵州科技工程职业学院学报
Guizhou Sci—tech Engineering Vocational College ·39·
MIMO技 术 的 演 进术
蒋学勤
(贵州科技工程职业学院，贵州贵阳，550008)
摘 要 简述MMIO技术的工作原理，讨论 MIMO技术的研究现状及核心技术，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，最后给出了MIMO技术的应用，是下一代移动通信系统中最富有竞争
力的技术之一。
关键词 MIMO技术 研究现状 具体应用 研究方向
中图分类号 TN911 文献标识码 A 文章编号 0000一SK149(2007)02—0039—03
Development of M IM O Technology
Jiang Xueqin
(Guizhou＆ —tech Engineering Vocational College，Guiyang，Guizhou，550008)
Abstract：Talk briefly abaut the working principles of MIMO technology．Discuss the study situation and kernel
technology of MIMO．It can largely improve the content and spectrum efficiency of communication system without increasing
ban dwidth．MIMO will be the most challengeable technology of the next communication system．
Key words：MIMO technology，study situation，specific application，study direction
未来移动通信系统要求能支持除话音以外的视
频传输、文件传送和高速上网等业务，如何用较少的
频率资源来传输更多的信息以及抑制无线电干扰技
术成为无线通信技术发展的两：大挑战。多输人多输
出(Multiple—Input Multiple一0utput，MIMO)技术是
在发射端和输出端都采用多天线，可以充分利用空间
资源提高频谱利用率和改善系统性能。普遍认为，
MIMO将是新一代移动通信系统必须采用的关键技
术。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2o～40 bit／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
1～5 bit／s／Hz，在点到点的固定微波系统中也只有
l0—22 bit／s／Hz。M IMO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 。
2 MMIO技术的基本原理
MIMO用于通信系统的概：念早在2O世纪 70年
代就有人提出 ，但是对无线移动通信系统 MIMO技
术产生巨大推动的奠基工作则是 20世纪 9O年代由
AT&T的Bell实验室学者完成的，见图1。
基金项目：此课题由国家自然科学基金(№：FOlO106)资助
发 送 机 接 收机
图 1 MIMO通 信系统原 理图
考虑N×M的窄带 MIMO系统，即发射天线和
接收天线分别是 N和 M。接收信号的离散时间等
效模型为：
Y=HX+n (1)
式中x为N×1维发射信号向量，假设其元素均
值为0，方差为 的独立高斯随机变量；Y为M×1
维接收信号向量；H为M×N维的随机信道矩阵，
rhnhl2⋯hl ]
：
⋯
n I I
； l
h．1h，|2⋯h
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Guizhou Sci-tech Engineering Vocational College
2007年 6月
第2卷第2期
其元素 (i=l，2，⋯，r； =l，2，⋯， )为发
射天线j_和接收天线i之间的信道增益，并且是独立
同分布的复高斯随机变量，其均值为0，方差为 1；是
N维的加性复高斯白噪声，其元素是对称的独立同
分布的高斯随机变量，即E[nn ]： ： ， 是n×
n维的单位矩阵；
3 MM10技术的研究现状及核心技术
3．1 MMIO技术的研究现状
在 MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文
献 ．3】。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 IEEES02．16．3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 。
Hochwaldl5 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 基于秩理论提出了全分集和
全速率空时 Turbo码 ，Cui等 研究 了并行级联
Turbo空时码 ，Sallathurai等 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 提出了一
种OFDM 与空时码结合的 MIMO方案 ，Goeckel
等 提出了用于 OFDM 的多维信号集 ，Wang
等 1 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 Hanzol1 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。该系统工作频
率为 1．9 GHz，发射8天线 ，接收 12天线 ，采用 D
— BLAST算法。在室内实验时 ，发射分支长为 100
符号 ，其中 20符号用于训练 ，符号率为 24．3
kSymbol／s。8个发射子流均用未编码的 16QAM，达
到了25．9 bps／Hz的频谱效率。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。
3．2 MMIO技术的核心
3．2．1 无线信道建模
由于Telatar和Foschini假定的信道过于简单，
他们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 。但是实际信道
具有空间的相关性，2001年IEEE802．16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。
3．2．2 空时信号处理
是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空
间域结合起来进行信号处理 ，它有效地利用了随机
衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输
速率。如 BLAST，即贝尔空时分层结构 (Bell labs
layered space—time architecture)；STI'C，即空时格
形码 (space—time trellis codes)；STBC，即空时分组
码 (space—time block codes)。
3．2．3 接收机的设计
与SISO相比，MIMO由于采用多天线，提高信
道容量的优势非常明显，但也带来了明显的劣势即
复杂度高，因此采用并行处理结构就成为 MIMO接
收机必然选择。
由于每个接收天线同时收到 N个发送天线来
的叠加在一起的信号，如何从 M个接收信号中正确
地恢复N个发送信号非常关键，这就是信号检测和
分离问题。信号检测的基本思想非常相似于CDMA
中的多用户检测(MUD)。信号检测的主要方法有：
最小均方误差 (MMSE)，迫零 (zF)，最大似然
(ML)，并行干扰抵消(PIC)和串行干扰抵消(SIC)。
其中ML性能最好 ，复杂度最高；PIC和 SIC能够实
现复杂度和性能的良好折中。
为使 MIMO系统同步，有如何优化发送端同步
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2007年6月 第2卷第2期 蒋学勤：MIMO技术的演进
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训练符号图样和如何充分利用多天线的冗余性进一
步提高同步的时间和频率的精度两个问题。
4 MMIO技术的应用
MIMO技术已经广泛地应用在固定宽带无线接
人领域中，第一个成功的产品是由德国Airgo公司
推出的wi—Fi芯片组 AGNloo，该芯片组采用 2个
发送和 2个 接收天线，用 20MHz的带宽可实现
108Mbit／s的最高传输速率，是传统SISO的802．1 1 a
和802．11g的2倍。另外 IEEE也成立了 802．11n
工作组，正在制定第 2代无线局域网标准 802．
11n．。802．11n最核心的技术就是 MIMO+OFDM，
第2代无线局域网目标是：在第1代 WLAN提供的
服务范围内(10～100m)传输速度将会提高4～5
倍，即使距离增加到几千米，也能保证 100Mbit／s的
传输速率。同时无线局域网标准 802．16也通过引
入 MIMO技术来改进非视距的接收性能。
MIMO技术已被3G标准采用，主要利用 MIMO
空间分集的优点提高系统性能。在 WCDMA协议
中，可使用 6种分集发射方法：空间分集发射
(STrD)、时间切换分集发射(TSTD)、2种闭环分集
发射、软切换中的宏分集发射以及站点分集发射
(SSTD)，基站有 2个发射天线，．其本质是 MIMO的
空间分集，基站每个天线到手机的信号通过正交码
来区分。另外，在 3GPP的高速下行链路分组接人
方案(HSDPA)中提出了使用M％MO天线系统，此系
统在发送和接收方都有多副天线。
ITU已经开始制定第4代移动通信标准，4G移
动通信技术的信息传输级数要比3G的信息传输级
数高一个等级。数据率超过 UMTS(通用移动通信
系统)，是支持高速数据率(2～20Mbit／s)连接的理
想模式 ，上网速度从 2Mbit／s提高到 looMbit／s。在
高速移动情况下，用 5 MHz的带宽实现 20Mbit／s的
传输速率，MIMO与OFDM结合，将会是4G的最佳
选择之一。
5 结束语
在频带资源有限而高速数据需求无限增长的现
实下，利用增加发射天线来增加空间自由度、改善系
统性能、提高频带利用率是无线通信领域中的一个
研究方向。在未来的 4G系统中，将有许多工作要
做，如：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；减少附加天线所带来
的干扰；基 MIMO的物理层和 MAC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。
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(收稿 日期 2007-03一l0)
作者简介
蒋学勤(1965，6一) 男 计算机与信息工程系副教
授，硕士．主要从事通信与信息系统的研究与教学．
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