MIMO技术及其应用方案

　　摘要：MIMO技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，它能在不增加带宽的情况下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关键技术。本文介绍了MIMO的技术原理及其在LTE空中接口的应用方案。
　　关键词：MIMO；OFDM；LTE
　　一、引言
　　随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经成为无线通信的瓶颈。如何充分利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。
　　MIMO又称为多入多出（Multiple-InputMultiple-Output）系统，是指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，该系统采用空时处理技术进行信号处理，它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。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。本文介绍了MIMO技术原理，给出了MIMO技术在LTE空中接口的应用方案，对促进下一代移动通信技术的发展有一定指导意义。
　　二、MIMO技术原理
　　引入MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put）目的就是利用多天线来抑制信道衰落，提高无线信道容量和频谱利用率。
　　通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。图1所示为MIMO系统的原理图。传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k)，i=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

　　图1MIMO系统原理
　　
　　特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。
　　MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。
　　系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
　　其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。
　　可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。
　　三、LTE空中接口技术方案
　　3GPPLTE的主要性能目标有：明显增加峰值数据速率，在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps（5bit/s/Hz）、上行50Mbps的峰值速率（2.5bit/s/Hz）；明显提高频谱效率，如2~4倍的R6频谱效率。改善小区边缘用户的性能，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率，如MBMS（多媒体广播和组播业务）在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率；支持对称或非对称频谱，可灵活配置1.25MHz到20MHz多种带宽。
　　为了实现LTE系统的上述目标性能，需要改进与增强现有3G系统的空中接口技术。在下一代移动通信技术中OFDMA+MIMO+DL64QAM/UL16QAM是达到LTE系统吞吐量和频谱效率要求的最佳技术。
　　OFDMA调制带来的好处主要表现在把带宽扩展到20M、频谱利用率高、抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。
　　MIMO的引入带来的好处主要体现在提高了用户平均吞吐量和频谱效率，具体方案为：LTE上下行都采用了MIMO，下行MIMO采用4x4方式，上行MIMO采用2x2的虚拟MIMO方式。其中2×2的虚拟MIMO技术含义：在UE有配置1个发射天线，在基站有2个接收天线，但在上行传输中，两个UE各自有一个发射天线，并共享相同的时域/频域资源，这些UE采用相互正交的参考信号图谱，以简化基站的处理。在调制方式方面，建议下行调制方式采用64QAM高阶调制，上行采用16QAM调制。
　　四、结论
　　MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍然无能为力，下一代移动通信需要高的频谱利用率技术，但OFDM提高频谱利用率的能力毕竟有限，MIMO与OFDM的结合很好地克服频率选择性衰落，又可以在不增加系统带宽的情况下进一步提高频谱效率。二者之间的结合势必使无线通信系统向着更高的速率、更大的容量、更好的性能的方向发展。
　　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):7~11
　　[2]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）：42~45
　　[3]梁红玉，吴伟陵.MIMO系统的信道容量.技术交流[J]，2003，（2）：60~61

《MIMO技术及其应用方案》

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