国玩 技 2005年第1期 专题述评 SUMMARIZATlo
文章编号：1001—893X(2005)01—0007—05
MIMO技 术 的 发 展 与 应 用
赵亚男，张禄林，吴伟陵
(北京邮电大学 信息工程学院，北京 100876)
摘 要：给出了多输入 多输出(MIMO)技术的概念，详细叙述 了MIMO技术的研究现状，阐述了MIMO
的关键技术和MIMO技术的应用，研究和分析表明无线移动通信领域智能天线技术的重大突破就是多
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。文章最后给出了MIMO技术今后的研究方向。
关键词：多输入多输 出技术；贝尔空时分层结构；空时分组码；空时格形码 ；智能天线
中图分类号：TN929，5 文献标识码 ：A
Development and Application of M IM O Technology
ZHA0 Ya—ll,alz，ZHANG Lu—lin，WU 耽 —ling
(School of Infommion Engineering，Beiji~ University of Posts and Telecona,~maicafions，Beijmg 1(Ilg76，China)
Abstract：The concept of Multiple—Input Multiple—Output(MIMO)technology is introduced．Research
condition of MIMO technology is narrated and the key techniques and application of MIMO technology are
discussed．Analysis indicates that MIMO technology is the important progress of smart antenna in wireless
communication．It can enhance capacity and~equency spectrum utilization efficiency of communication
system while maintaining bandwidth．MIMO is one of the most competitive technologies in the next genera-
tion mobile communication system．Research trend of MIMO technology in future is given finally．
Key words：Multiple—Input Multiple—Output(MIMO)；Bell Labs layered space—time architecture
(BLAST)；Space—time block codes；Space—time trelhs codes；Smart antenna
无线通信技术在不断发展，有限的无线资源面
临着通信数据大爆炸的困境，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—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。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20-40 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 lO～12 bit／s／Hz。MI—
MO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 。
一
、MIMO技术的概念
MIMO用于通信系统的概念早在 20世纪7O年
+ 收稿日期：2004一10—08
基金项目：国家自然科学基金资助项 目“实时二维信号处理的理论研究及其仿真测试平台的研制”
(60172051)；国家 863计划项 目“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究”
(2001AA123016)
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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90年代由
AT＆T(American Telephone&Telegraph Company，
美国电话电报公司)Bell实验室学者完成的。1995
年Teladar 给出了在衰落情况下的 MIMO容量。
1996年Foshini 给出了一种MIMO处理算法——D
— BLAST(Diagonal—BLAST，对角 BLA ST)算法，
1998年 Tarokh等 讨论了用于 MIMO的空时码，
1998年 Wolinansky等 采用 V—BLA ST(Vertical—
BLAST ，垂直BLAST)算法建立了一个MIMO实验系
统，在室内试验中达到了20 bps／Hz以上的频谱利
用率，这在普通系统中是极难实现的。这些工作引
起了各国学者的极大注意，并使得 MIMO的研究得
到了迅速发展。
多输人多输出(MIMO)技术是指在发射端和接
收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过
发射端的和接收端的多个天线传送和接收，从而改
善每个用户得到的服务质量(误 比特率或数据速
率)。而传统的通信系统是单进单出(Single—Input
Single—Output，SISO)系统，基于发射分集和接收分
集的多进单出(Multiple—Input Single—Output，MI—
SO)方式和单进多出(Single—Input Multiple—Out—
put，SIMO)方式也是 MIMO的一部分。
二、MIMO技术的研究现状
作为无线高速数据传输的关键技术——MIMO，
其理论、性能、算法和实现的各方面均被各国学者广
泛地进行着研究 。在 MIMO系统理论及性能研
究方面已有一批文献 。这些文献已涉及相当广
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，相关文献中已
提出了不少 MIMO及空时编码算法。但是为了在
4G(第四代)等新一代系统中实际应用 MIMO，
在空时编码算法研究上还有大量工作要做。新一代
无线通信系统计划采用空时处理技术，例如 IEEE
802．16．3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 WIND—FLEX项
目研究空时处理用于室内64～100 Mbit／s的无线自
适应 MODEM。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 。人们正在
． 8 ．
不断地提出新的或改进的空时编码方法，以改善
MIMO性能，减少空时编码系统复杂性，更好地适合
新一代无线通信系统的要求和信道实际的情况。
Hochwald 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 (Unita~j
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，Narayanan¨ 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 副研究了并行级联
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 6_
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Hanzo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 kSym—
bol／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。
实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实
现多天线和多路接收，许多学者正在进行这方面的
研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电
小．因而有大量工作要做 。
三、MIMO的核心技术
MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利
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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。
MIMO技术成功之处主要是它能够在不额外增加所
占用的信号带宽的前提下带来无线通信的性能上几
个数量级的改善。利用 MIMO信道的容量已经提出
了很多种技术，如 BLAST，即贝尔空时分层结构
(Bell labs layered space—time architecture)；SYl'C，
即空时格形码(space—time trellis codes)；STBC，即
空时分组码(space—time block codes)。
1．BLAST技术
Bell实验室提出的BLAST是一种有效的MIMO
处理算法，利用 BLAST 技术，如同在原有频段上建
立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多
用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结
果是可以极大提高系统的容量。
BLAST 系统是以C．J．Foschini为首的一批科学
家研制出的，它是由多个天线组成点对点的无线传
输系统，信道之间相互独立，主要利用空间分集特性
来挖掘而不是克服多径效应，从而大大提高了频谱
效率。
BLAST 系统是天线的分集接收基础上发展起
来的。多天线分集接收的前提是各空间信道的独立
性，即信号所经历的衰落过程是彼此独立的，这就要
求接收天线之间保持足够的距离，发端的多天线也
要保持足够的距离。BLAST系统是点对点的通信
系统，没有考虑系统中存在多用户的情况，一旦应用
于多用户系统，不同用户间的干扰如何解决仍是悬
而未决的问题。
BLAST 系统要求在通信过程中信道变化很缓
慢，即在准静态信道下工作。此外，还要求信道中存
在丰富的散射体，以确保各发射信号经过信道散射
后能够具有足够好的相关特性来实现彼此区分。
在 BLAST系统基础上，目前有很多研究者在进
行进一步的工作，包括把 BLAST系统中的结论推广
到蜂窝系统和多用户系统中，以及研究 BLAST 系统
为代表的MIMO系统的信道容量和频谱效率等。但
这些研究仍处于探索阶段，值得感兴趣的研究者继
续深入研究。
2．空时格形码
空时格形码(Space—Time Trellis Codes，SYl'C)
是由朗讯实验室的Tarokh等提出的空时编码技术，
适用于多种无线信道环境。STI'C把编码和调制结
合起来，能够达到编译码复杂度、性能和频带利用率
的最佳折衷，是一种最佳码。
采用SYl'C能同时得到编码增益和分集增益，
虽然它能够提供比现有系统高3～4倍的频谱效率，
但是其译码复杂度随着状态数的增加而呈指数增
长
3．空时分组码
空时分组码是由 AT&T的 Tarokh等人在
Alamouti的研究基础上提出的。Alamouti提出了采
用两个发射天线和一个接收天线的系统可以得到采
用一个发射天线两个接收天线系统同样的分集增
益。
Tarokh在信道编码中引入了正交性结合这种发
射分集提出了空时码。空时分组码正是利用正交设
计的原理分配各发射天线上的发射信号格式，实际
上是一种空间域和时间域结合的正交分组编码方
式。空时分组码可以使接收机解码后获得满分集增
益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，使译码
复杂度大大降低。
四、MIMO技术的应用
目前，朗讯、松下、金桥和 N1Tr DoCoMo等公司
都在积极倡导 MIMO天线系统技术的应用 。在
3GPP的高速下行链路分组接入方案(High Speed
Downlink Packet Access，HSDPA)中提出了使用 MI—
MO天线系统，这种系统在发送和接收方都有多副
天线，可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外，
在3GPP(第三代协作伙伴项目)的WCDMA(宽带码
分多址)协议中，涉及到了6种分集发射方法，即空
时分集发射(Space Time Transmit Divemit)r，STI'D)、
时间切换分集发射(Time Switched Transmit Divemi—
ty，TSTD)、两种闭环分集发射模式、软切换中的宏
分集，以及站点选择分集发射(Site Selection Divemi—
ty Transmit，SSDT)。宏分集是指在 CDMA(码分多
址)系统的软切换过程中，可以通过2个甚至3个基
站同时向一个移动台发射同样的信号，这是宏分集
发射；同样，接收时通过相邻的基站进行分集接收
(多个基站接收)，即进行宏分集接收。
MIMO技术已经广泛地应用在固定宽带无线接
· 9·
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人领域中，采用 MIMO的主要公司是 Iospan Wireless
和 Raze Technologies。Iospan Wireless的 AirBurst系
统是基于 MIMO—OFDM(正交频分复用)的 FDD
(频分双工)系统。Raze Technologies的 SkyFir系统
也具有 MIMO接口，并且可以用波束成形控制器来
升级。
五、MIMO技术未来的研究方向
过去的十几年中，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，主要有以下4个方
面 。
(1)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。
(2)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。
(3)与传播相关的研究方向
如何解决 MIMO系统的多径效应是一个很重要
的问题，现在常用的方法一是在接收端做均衡处
理，二是与OFDM技术结合。美国Agere系统公司
日前开发成功了最高传输速度为 162 Mbit／s的无线
LAN (局域网)技术，这种技术是在收发两端使
用阵列天线的多输人多输出 (MIMO)和正交频分
复用 (OFDM)。该系统使用 3对收发天线，每对
收发天线可以实现 54 Mbit／s的传输速率。这是目
前 MIMO+OFDM技术所表现的强大的应用潜力。
IEEE 802．11a、11g都是以OFDM作为核心技术，而
IEEE 802．16系列则是以 MIMO+OFDM技术为核
心。
世界各国和各大电信厂商目前都已经开展了新
． 10 ·
一 代移动通信系统的研究，而且 MIMO技术是具有
极高频谱利用率的技术，在V—BLAST算法下，理想
情况下可以达到2O～40 bit／s／Hz，这是目前任何一
种技术所达不到的。另外在各类无线通信系统中，
isi(符号间干扰)一直是影响通信质量的重要因素。
OFDM技术能够有效对抗 ISI，同时具有频谱利用率
高、抗多径衰落性能好、成本偏低等优点，使得这两
种技术特别是两者的结合有望成为过渡到4G的潜
在技术。因此这两种技术已经成为目前4G研究的
热点，是一个非常有前景的研究方向 。
(4)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。
六、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。MIMO技术以其特有的优点，将成为未
来移动通信中的关键技术之一，将对无线蜂窝系统
的发展产生深远的影响。
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