金錦江 鄭茜茜

(溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

4G移動通信中的MIMO技術(shù)

金錦江 鄭茜茜

(溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

主要介紹了4G移動通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)——多輸入多輸出（MIMO）的概念，并從單用戶MIMO和多用戶MIMO的理論與技術(shù)進(jìn)行分析及對比。最后給出了MIMO技術(shù)今后的發(fā)展方向。

MIMO；單用戶MIMO；多用戶MIMO

（一）引言

上海世博園區(qū)向媒體開放體驗全球首個TD-LTE規(guī)模演示網(wǎng)時，4G時代已悄然臨近。而多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple-Output），即 MIMO是近年來在無線通訊技術(shù)領(lǐng)域極受關(guān)注的技術(shù)，4G移動通信系統(tǒng)就采用了MIMO技術(shù)。從以往的2G移動通信系統(tǒng)到目前火熱的3G系統(tǒng)均沒有采用MIMO。在目前的移動通信系統(tǒng)里，一發(fā)兩收是大多數(shù)基站天線采用的結(jié)構(gòu)。而MIMO技術(shù)用多個天線構(gòu)成的天線陣列取代基站現(xiàn)有的單天線。事實上，MIMO技術(shù)能運(yùn)用于4G系統(tǒng)，也是因為它能較為簡單并且直接地在傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)和使用。

（二）MIMO技術(shù)概述

MIMO技術(shù)，即在基站端和移動臺同時放置多個天線，使得基站和移動臺這兩者之間能夠形成MIMO的通信鏈路。這種技術(shù)根據(jù)發(fā)射端和接收端的天線數(shù)目，可以分為單輸入多輸出（single-input multiple-output，SIMO）、多輸入單輸出（Single- output Multiple- input，MISO）或MIMO。

SU-MIMO，即單用戶MIMO，是一種基站與單移動臺間的點對點多天線鏈路的技術(shù)。與之相對的還有MU-MIMO，即多用戶MIMO，它是通過同一個頻域與時域同時為多個移動臺提供與基站通信的技術(shù)。它與單用戶MIMO的。與較熟悉的自適應(yīng)天線陣列相比它不一定需要平坦開闊的無線通信環(huán)境?？偟膩碚f，多輸入多輸出技術(shù)有以下優(yōu)點：“ISI（碼間干擾）明顯降低；空間分集增益得到提高；無線信道容量和頻譜利用率得到提高；降低誤碼率，信道的可靠性得到提高；資料的傳輸速率也大幅提升”。

本文中，我們把默認(rèn)基站，即發(fā)射機(jī)有 X個發(fā)送天線；移動臺，即用戶設(shè)備（UE）有Y個接收天線。用X×Y階信道矩陣H表示X中一個天線與Y中一個天線的傳輸模型。

1.單用戶MIMO技術(shù)

（1）最優(yōu)功率分配

SU-MIMO復(fù)用的最優(yōu)方案，是基于信道矩陣的SVD（奇異分解值）發(fā)射和接收波束成形使用的，它把MIMO信道分成了多個子信道，稱之為“特征信道”，這些“特征信道”相互并行且互不干擾。

“特征信道最優(yōu)功率分配的原理是‘不’等價于SNR”，它并不與SNR（信噪比）呈一定比例關(guān)系，而是選擇為較好的特征行道分配更多的功率，對較差的，對信道傳輸貢獻(xiàn)不大的特征信道注入的功率很小，甚至根本不為其分配功率。如圖1。

因此在現(xiàn)實中，信息速率不得不與獲得更多功率的特征信道的 SNR匹配，但這完全通過與流相適的調(diào)制和編碼方案（MCS）來調(diào)整并解決。

圖1 最優(yōu)功率分配注水原理

（2）單天線的波束成形

這里的單天線分為發(fā)射機(jī)單天線或接收機(jī)單天線，但MIMO信道都只能表現(xiàn)出單個特征信道，因此多個數(shù)據(jù)流的復(fù)用不可能。

在“接收波束成形”上，X=1且Y ＞1（假設(shè)單流），即一個發(fā)送天線和 Y個接收天線的模型。在這種模型中，發(fā)射機(jī)發(fā)射一個 QAM符號，接收機(jī)接收并且獲得信道估計后，可以選擇設(shè)置波束成形向量跟干擾源的信道正交，有效地抵消了干擾信號，用MRC（最大比合并）自身Y個接收天線接收的信號，從而使接收機(jī)能最大程度地接收SNR。與X、Y均為1，即發(fā)送接收天線都只有一個的模型相比，最大比合并使得接收機(jī)在接收SNR上提高Y倍，實現(xiàn)MIMO信道的陣列增益，即鏈路預(yù)算上101g（M）dB。

在“發(fā)射波束成形”上，X＞1且 Y =1，即一個接收天線和X個發(fā)送天線的模型。在這種模型中，發(fā)射機(jī)發(fā)射一個QAM符號后，再“通過到反饋鏈路為發(fā)射機(jī)提供X×1階的發(fā)射波束成形矢量”。如果將發(fā)射端的信道信息設(shè)定為最理想的值，可以通過發(fā)射MRC的方法來得到最大的SNR，在此處，可以把發(fā)射 MRC當(dāng)成匹配預(yù)濾波器來看待，它和“接收波束成形”一樣，使平均SNR提高了101（N）dB倍。

（3）發(fā)射機(jī)無信道信息的空間復(fù)用

當(dāng)X＞1和Y＞1，即X個發(fā)送天線和Y個接收天線的模型時，假設(shè)Y≥X，且發(fā)射的X個流對應(yīng)各自不同的天線。發(fā)射機(jī)在沒有有關(guān) H的信息的情況下，就不能通過反饋信道向接收機(jī)提供信道信息，因而不能靠預(yù)編碼器來設(shè)計空間復(fù)用的方案。發(fā)射機(jī)方面無法下手，只有從接收機(jī)方面考慮。而事實上，已經(jīng)有兩種恢復(fù)符號矩陣的檢測技術(shù)：線性以及非線性檢測。線性檢測技術(shù)的復(fù)雜度較低，即在接收端將多個波束形成矢量進(jìn)行疊加，疊加時考慮其各自對應(yīng)的單波束成形效果及合并時各個流間的干擾，這里通常可以使用迫零接收機(jī)（Zero-Forcing）將接收到的 X個數(shù)據(jù)流間的干擾抵消掉。非線性檢測器更為先進(jìn)，但相對的復(fù)雜度也就更高。以 MLD檢測器為例，它嘗試對接收信號的所有流，用窮盡搜索的方法來找出其中可能性最大的子集。

“復(fù)用增益相當(dāng)于對頻譜效率的倍乘因子”，是由給定方案方提供。但是要想有MIMO的復(fù)用增益，要求“不同的發(fā)射和接收天線的空域特征能完全解相關(guān)且線性獨(dú)立”，簡單的說就是要求不同的發(fā)射機(jī)通過不同的獨(dú)立數(shù)據(jù)流，向不同接收機(jī)發(fā)射。只有這樣才能讓信道矩陣 H處于良態(tài)，甚至可逆。顯而易見的，對于天線基站和用戶設(shè)備（UE），他們間獨(dú)立的數(shù)據(jù)個數(shù)，不能超過它們中最小的天線數(shù)，即滿足min（Y，X）。舉例來說，雙天線的UE與6個天線基，它們間的SU-MIMO通信至多只能有兩個獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，但這已經(jīng)比單數(shù)據(jù)流的傳輸速率快了一倍。

2.多用戶MIMO技術(shù)

（1）單用戶和多用戶MIMO的比較

在多用戶MIMO（MU-MIMO）中，一個小區(qū)中可能有U個用戶設(shè)備（UE）可以使用，但在同一時間使用的只有 K個，一般情況下，K≤U。若假設(shè)每個UE有J個天線，那么正在工作的天線數(shù)就是Y =KJ個。通常來說這里UE天線的數(shù)量Y是遠(yuǎn)大于小區(qū)中的基站數(shù)X的，如此在不考慮合并干擾的前提下，多用戶MIMO系統(tǒng)的通信過程中，獨(dú)立的數(shù)據(jù)流個數(shù)受到基站數(shù)的限制。另一方面，從單個工作狀態(tài)中的UE的角度來看，UE的天線數(shù)J通常遠(yuǎn)小于基站數(shù)X，如此到單個UE的獨(dú)立數(shù)據(jù)流個數(shù)則是受到UE的天線數(shù)量限制。舉例來說，單天線的UE最多能復(fù)用X個獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，但雙天線的UE能復(fù)用2X個獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。而單用戶MIMO（SU-MIMO）要想復(fù)用X個獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，必須在每個UE上安裝X個天線。

不難看出，對于多用戶MIMO，即使用戶設(shè)備（UE）只有很少的天線，但仍能完美的進(jìn)行MIMO的空間復(fù)用。因此在多用戶 MIMO系統(tǒng)中更加著重基站的建設(shè)，通?；疽獙?UE發(fā)送來的信號進(jìn)行“接收波束成形”并對向UE發(fā)送的信號進(jìn)行“發(fā)射波束成形”。

信道的模型不一樣也是單用戶MIMO和多用戶MIMO一個基本的區(qū)別。單用戶MIMO的“天線空域特性間的解相關(guān)需要多徑傳播或使用正交極化”，而多用戶MIMO因為UE間隔比波長大出許多，所以對不同UE的解相關(guān)并不需要人為干預(yù)。

（2）單天線UE技術(shù)

現(xiàn)在討論MU-MIMO系統(tǒng)中的單天線UE，即小區(qū)中存在Y個單天線UE，此時的上行鏈路設(shè)計方案與SU-MIMO中X＞1、Y＞1的情況十分相似，不能采用預(yù)編碼器。這是因為用戶終端不能彼此協(xié)作，同時也沒有上行鏈路，或者說發(fā)射信道，的信道信息。從單個UE的角度看，它并不知道其他UE的工作情況及傳輸信息。這是因為基站向UE發(fā)射時采用了發(fā)射波束成形，為每個UE都發(fā)送了空域特性，從而將數(shù)據(jù)分別傳送到了要傳送的UE上。

（3）多天線UE技術(shù)

多天線UE技術(shù)可以由單天線UE技術(shù)推廣而來。這里有兩種方法解決多天線UE的問題。其中一種是將多出的天線當(dāng)作虛擬的UE，并且允許這個虛擬的UE與其他UE對信道進(jìn)行共享，從而能使原本的多天線UE接收或發(fā)送多個數(shù)據(jù)流。另外一種方法是在不增加UE和基站間的連路數(shù)目的要求下，對多天線UE的多個數(shù)據(jù)流進(jìn)行時空編碼，即在不同時隙內(nèi)使用同一天線發(fā)射不同信號。而在基站方面可對數(shù)據(jù)流一最大合并比合并。

（三）MIMO技術(shù)的發(fā)展

MIMO技術(shù)作為未來一代寬帶無線通信系統(tǒng)的框架技術(shù)，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用于各個方面，基于MIMO的無線通信理論和傳輸技術(shù)顯示出了巨大的潛力。但是在實際的系統(tǒng)中要達(dá)到 MIMO理論上的容量增加仍然有許多技術(shù)難點。比如如何解決MIMO系統(tǒng)的多徑效應(yīng)問題，常用方法是與OFDM技術(shù)相結(jié)合。隨著人類對高質(zhì)量的無線通信系統(tǒng)的需求不斷提高，MIMO技術(shù)在通信系統(tǒng)中的實際應(yīng)用將不斷促進(jìn)MIMO技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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2011-01-26

金錦江（1989－），男，浙江上虞人，溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院在讀生；鄭茜茜（1978－），女，浙江溫州人，溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院講師。