MIMO技术的发展
DevelopmentofMIMOTechnology
中图分类号：
文献标识码：
A
文章编号：
1009-6868(2006)02-0014-03
罗涛/LUOTao
李少谦/LIShao-qian
(电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点
实验室,四川 成都 610054)
(Nation-LevelKeyLabofCommunications
Anti-interference,UESTofChina,Chengdu
610054,China)
摘要：未来无线通信系统需要更高的数据传输速率和更好的服务质量，因此需要系统
容量大幅度提高。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技术的主要
研究方向包括：MIMO信道、MIMO收发技术、分布式MIMO和MIMO应用。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。
关键词：多输入多输出；分布式无线通信系统；关键技术；体系结构
Abstract:Thefuturewirelesscommunicationssystemrequireshigherdatatransmission
speedandbetterQoS,
limitedradiofrequencyresources,itcanonlybesatisfiedbytremendouslyenhancingthe
(MIMO)technologyisa
,MIMOtransceiver,distributed
breakthroughinthedomainofwirelesscommunications,anditwillbecomeakey
technologyforthefuturebroadbandmobilecommunicationssystemandbroadband
wirelessaccesssystem.
Keywords:multipleinputmultipleoutput;distributedwirelesscommunicationsystem;
keytechnology;architecture
基金项 目：国 家自 然 科 学 基 金 项 目
(60496313)； 教育部博士 点基 金项 目
(20020614001)
下一代无线通信系统将提供用户更高的数据传输速率和更好的
服务质量,系统容量需要大幅度提
高,因此有限的无线频谱资源迫使下
一代无线通信技术必须极大地提高
频谱利用率。多输入多输出(MIMO)天
线技术正适应未来无线通信技术发
展的要求,近年来得到迅猛的发展。
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[1]。
贝 尔 实 验 室 的Telestar和Foschini
等人首先对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),随后Tarokh等人
提出了空时格码(STTC),Alamouti提出
了空时分组码(STBC),使得MIMO技术
的研究迅速成为无线通信领域的研
究热点。
1MIMO信道
研究无线通信技术首先就要研
究无线信道。同样,MIMO技术的研究
发展总是围绕着人们对MIMO信道的
深入研究而继续发展。在早期的MI-
MO技术研究中为了简化分析,研究
者通常假设天线阵列周围存在大量
散射物,且天线元间距大于半波长,
不同天线的信道衰落是不相关的[2],
因此早期大量的研究成果在独立信
道的前提条件下完成。
随着MIMO信道研究的发展和趋
于成熟,人们发现随着MIMO信道相
关性逐渐增强,MIMO信道的容量将
急剧下降。当信道存在相关性时,早
期部分重要MIMO技术研究成果应用
2006年4月 第12卷第2期 中兴通讯技术
ZTECOMMUNICATIONS专题罗涛等:MIMO技术的发展
于无线通信系统中时,性能将急剧降
低甚至于不能正常工作,而在现实环
境中具有相关性或相关性强的MIMO
信道环境大量存在。随着MIMO技术
研究的深入,人们对MIMO信道的研
究也越来越考虑接近实际信道环境
的MIMO信道模型。现在建立在更为
真 实 的 相 关 性MIMO信 道 模 型 下 的
MIMO技术的研究已成为主要研究发
展方向,其中主要研究内容包括:
(1)MIMO信道建模
信道建模从一般的相关性信道
和均匀线性阵列天线配置 (ULA)的
MIMO信道建模向更接近实际情况的
各种无线通信环境和可能使用的不
同天线配置(如ULA、均匀圆形天线阵
列、均匀矩形天线阵列等)方式的MI-
MO信道建模方向发展,信道模型更
接近真实的无线环境。
(2)MIMO信道的容量分析
容量分析从独立信道和一般的
相关性MIMO信道的容量分析向具体
使用不同发射方案在各种MIMO信道
条件下的容量分析方向发展,容量分
析更准确。
(3)MIMO关键技术
关键技术包括各种MIMO空时编
码、信道估计、信道检测技术,及其在
各种应用环境的相关性MIMO信道下
的新方法及性能分析。
2MIMO收发技术
MIMO技术实质上是利用空间资
源的信号处理技术,从信号处理方法
上主要分为两大类:一类是空间复用
技术,如贝尔实验室提出的BLAST[3];
另一类是空间分集技术,如STBC[4]。
前期的MIMO收发技术主要围绕空间
复用和空间分集处理技术,提出了很
多发射方案和信号检测技术。发射方
案主要有各种空时频编码、BLAST和
空时频编码与BLAST相结合的多种发
射方案。经典的接收检测技术则包括
最大似然检测 (ML)、最小均方误差
(MMSE)、迫零(ZF)、球形译码(SD)、垂
直 -贝 尔 实 验 室 分 层 空 时 算 法
(V-BLAST)及迭代方法等。这些传统
的收发技术还在进一步发展和完善。
MIMO技术发展以来,人们已经提
出了很多的MIMO系统方案,总结这
些较早的MIMO系统可以发现,它们
都是在发射端未知信道状态信息条
件下从N个发射天线发射信号x1......
xN,信号经过MIMO信道H后,N个接收
天线接收信号y1......yN后通过各种信
道估计方法获取信道状态信息进行
检测,这类系统可以称为信道状态信
息接收端已知(CSIR)系统(如图1所
示 , 其 中n1......nN为 附 加 白 高 斯 噪
声)。然而对MIMO信道的研究表明,
如果信道状态信息在发射端和接收
端都可以利用的话,MIMO系统的性
能将进一步提高[5],特别是当信道状
态信息在发射端精确已知 (CSIT)时
(如图2所示),发射端可以利用已知的
信道状态信息对发射信号进行信号
预处理(如图2中w1......wN),MIMO系统
的性能可以达到最优。实际上信道状
态信息可以在接收端通过信道估计
技术获得。在频分双工(FDD)的无线
通信系统中,可以利用反向信道将信
道状态信息反馈给发射端;在时分双
工(TDD)的无线通信系统中,则可以
利用反向链路的信道信息估计值近
似获得信道状态信息。因此,如何准
确地估计信道状态信息,如何准确地
反馈信道状态信息,如何在已知信道
状态信息条件下设计MIMO收发方案
等成为MIMO技术的重要研究方向。
目前这方面的研究工作已经展开,例
如:MIMO预编码技术、MIMO的 发射
天线选择技术、MIMO的自适应编码
调制技术等等。
在一些实际的MIMO系统中,信道
状态信息反馈时可能存在一定的差
错或实际的MIMO信道变化太快,系
统的发射端不能够获得完美的信道
状态信息。另一方面,在CSIT的MIMO
系统中,需要反馈的信道状态信息量
随着接收端天线数目的增加而急剧
增大,但在实际MIMO系统中反向信
道的容量有限,反馈的信息太多将严
重影响系统容量。因此,部分反馈信
道状态信息或发射端部分知道信道
状态信息的MIMO收发技术更具有实
际的应用价值,发射端部分知道信道
▲图1信道状态信息接收端已知的MIMO系统
▲图2信道状态信息在发射端精确已知的MIMO系统
2006年4月 第12卷第2期 中兴通讯技术 15
ZTECOMMUNICATIONS专题罗涛等:MIMO技术的发展
图4!
分布式MIMO蜂窝小区
"图3
集中式MIMO
蜂窝小区
状态信息的MIMO系统成为MIMO技
术重要的研究方向。已经有学者在研
究发射端部分知道信道状态信息条
件下,进行发射端和接收端的联合设
计,以便最大可能地提高MIMO系统
性能[6]。目前关于发射端部分知道信
道状态信息的MIMO技术研究包括:
(1)如何有效地反馈信道状态信
息,减少需要反馈的比特数目并保证
其鲁棒性。
(2)发射端部分知道信道状态信
息的MIMO系统性能分析。
(3)发射端部分知道信道状态信
息的MIMO系统发射技术和接收技术
的联合设计。
有关这方面的研究已经取得了
一些初步的研究成果。
3MIMO技术的体系结构
为了提高系统容量,下一代的无
线宽带移动通信系统将会采用MIMO
技术,即在基站端放置多个天线,在
移动台也放置多个天线,基站和移动
台 之 间 形 成MIMO通 信 链 路 。 应 用
MIMO技术的无线宽带移动通信系统
从基站端的多天线放置方法上可以
分为两大类:一类是多个基站天线集
中排列形成天线阵列,放置于覆盖小
区,这一类可以称为集中式MIMO;另
一类是基站的多个天线分散放置在
覆盖小区,可以称为分布式MIMO。
MIMO技术可以比较简单地直接
应用于传统蜂窝移动通信系统,将基
站的单天线换为多个天线构成的天
线 阵 列 。 如 图3所
示,基站通过天线
阵列与小区内的具
有多个天线的移动
台 进 行MIMO通信 。
从系统结构的角度
看,这样的MIMO系
统与传统的单入单
出 (SISO)蜂窝通信
系统相比并没有根
本的区别。
传 统 的 分 布 式
天线系统[7]可以克服大尺度衰落和阴
影衰落造成的信道路径损耗,能够在
小区内形成良好的系统覆盖,解决小
区内的通信死角,提高通信服务质
量。最近在MIMO技术的研究中发现,
传统的分布式天线系统与MIMO技术
相结合可以提高系统容量,这种新的
分布式MIMO系统结构———分布式无
线通信系统(DWCS)[8]成为MIMO技术
的重要的研究热点。
在采用分布式MIMO的DWCS系统
中(如图4所示),分散在小区内的多个
天线通过光纤和基站处理器相连接。
具有多天线的移动台和分散在附近
的基站天线进行通信,与基站建立了
MIMO通信链路。这样的系统结构不
仅具备了传统的分布式天线系统的
优势,减少了路径损耗,克服了阴影
效应,同时还通过MIMO技术显著提
高了信道容量。与集中式MIMO相比,
DWCS的基站天线之间距离较远,不
同天线与移动台之间形成的信道衰
落可以看作完全不相关,信道容量更
大。总体上说,分布式MIMO系统的信
道容量更大,系统功耗更小,系统覆
盖性能更好,系统具有更好的扩展性
和灵活性。
分布式MIMO的DWCS系统也带来
了一些新问题。移动台和小区内邻近
的天线建立的MIMO链路,由于基站
不同天线的位置不同,它们距离移动
台的距离不同,使得基站端的多个天
线的信号到达移动台的延时也不同,
因此带来新的研究问题。目前在这方
面研究较多的是进行容量分析。除此
之外的研究内容还包括:具体的同步
技术、信道估计、天线选择、发射方
案、信号检测技术等,这些问题有待
于深入研究。
4MIMO技术的应用
MIMO技术已经成为无线通信领
域的关键技术之一,通过近几年的持
续发展,MIMO技术将越来越多地应
用于各种无线通信系统。在无线宽带
移动通信系统方面,第3代移动通信
合作计划 (3GPP)已经在标准中加入
了MIMO技术相关的内容,B3G和4G的
系统中也将应用MIMO技术。在无线
宽 带 接 入 系 统 中 , 正 在 制 订 中 的
、和等标准也采
用了MIMO技术。在其他无线通信系
统研究中,如超宽带(UWB)系统、感
知无线电系统 (CR),都在考虑应用
MIMO技术。
#下转第20页
2006年4月 第12卷第2期 中兴通讯技术
ZTECOMMUNICATIONS专题罗涛等:MIMO技术的发展
2006年4月 第12卷第2期 中兴通讯技术
以用非常稀疏的奇偶校验矩阵定义
的线性分组码,已经成为了下一代卫
星数字视频广播标准(DVB-S2)的一
项关键技术。如 果 在WLAN中 应 用
LDPC码,由于LDPC码有很好的抗衰
落性,可以在不影响系统性能的前提
下省去原标准中的交织模块,
带 来 减 小 系 统 延 迟 的 好 处 。 在
标准中,由于要和
容,物理层中关于交织的部分仍然保
留,但是LDPC的引入仍然为系统的
整体性能带来了很大的好处。LDPC
编码增益很高,接收机在较低的信噪
比情况下仍然可以拥有较低的误码
率,WLAN的接入点(AP)覆盖范围从
而得到了提升。尽管在目前的EWC草
案中,LDPC码仍然是一个可选 (非强
制)实施的编码方法,但是有理由相
信LDPC码将在标准中扮演重
要角色。
4结束语
WLAN已作为一种宽带网络解决
方案得到了应 用 。在WLAN领域 内
标准应运而生,该标准使用了
当前无线通信领域中的多项先进技
术,其产品将拥有高速数据传输能力
和较大的覆盖区域,易与其他无线通
信网络融合。标准的推出将
对无线局域网市场产生巨大的推动
力。随着网上多媒体技术的日益应用
发展,传输速率更高的无线网络设备
将会涌现,无线局域网设备和服务的
投资前景将会非常乐观。
在无线局域网用户和运营商的
双重推动下,未来两年内,高速WLAN
网络的应用将会成为未来网络的技
术主流之一。
5参考文献
ZTECOMMUNICATIONS专题陈彦辉:高速无线局域网主要技术
!上接第16页
MIMO技术正从前期理论研究进
入理论研究和实际应用相结合的阶
段。现在有很多学者正研究MIMO技
术在实际应用中遇到的实现问题。随
着使用天线数目的增加,MIMO技术
实现的复杂度大幅度增高,从而限制
了天线的使用数目,不能充分发挥
MIMO技术的优势。目前,如何在保证
一定的系统性能的基础上降低MIMO
技术的算法复杂度和实现复杂度成
为学术界和业界面对的巨大挑战。
5结束语
MIMO技术是近十年来无线通信
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。作为无线通信领
域近年来发展起来的新技术,MIMO
技术在通信理论上还远没有完善,有
很多的关键技术需要进一步研究,
MIMO技术还在继续发展。同时,人们
对高质量的无线通信系统的需求不
断催生新的应用,MIMO技术在通信
系统中的实际应用将不断促进MIMO
技术的进一步发展。
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收稿日期：2006-01-16
作 者 简 介
罗涛，电子科技大学在读博
士研究生。研究方向为无线
通信技术，主要包括分布式
天线系统、MIMO、智能天线
等。
李少谦，电子科技大学教
授，博士生导师。国家
“ 863” 计划通信技术专家
组成员，长期从事移动通信
与无线通信、个人通信、抗
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收稿日期：2006-01-16
作 者 简 介
陈彦辉，西安电子科技大学
综合业务网国家重点实验室
副教授，博士。先后主持和
参加国家“ 863”计划项目、
教育部重点项目、军事预研
项目和国家自然科学基金项
目近十项，获得3项科研成
果奖。已发表论文20多篇，
其中被SCI/EI检索10余篇。
主要研究领域为宽带无线区
域通信及自组织网络。
