移动通信中MIMO技术研究

罗晓琴

(闽南理工学院 电子与电气工程系，福建 石狮362700)

摘要：MIMO技术作为新一代移动通信的关键技术之一，在现代移动通信领域中发挥着举足轻重的作用。它可以有效地对抗无线通信过程中的多径衰落问题，进一步提升移动通信系统整体的性能；它可以显著地提高无线系统的频谱利用率，在一定程度上缓解了移动通信中频谱资源紧缺的问题；它可以成倍地提高无线信道容量，为移动通信系统的高速率数据传输提供技术支持。

关键词：MIMO；多径干扰；空时编码；移动通信

作者简介：罗晓琴，助教，闽南理工学院。

基金项目：福建省中青年教师教育科研项目资助；福建省教育厅B类项“移动通信中MIMO技术的研究”(项目编号：JB14111，校内科研号：14KYJ012)。

文章编号：1672-6758(2015)01-0047-4

中图分类号：TN92

文献标识码：A

Abstract：MIMO, as one key technology of the new generation mobile communication technology plays a decisive role in the modern mobile communication field. It can be effective against multi-path wireless communication in a fading problem, to further improve the performance of mobile communication system, improve the spectrum utilization rate of wireless system to a certain extent, and ease the shortage of spectrum resourcesin mobile communication. It is argued that the technology can improve the capacity of wireless channel, provide technical support for high data rate data transmission in a mobile communication system.

随着无线通信技术的飞速发展，以及人们生活品质的提高，人们对通信技术的要求不再是两点一线的简单通话，低速率的数据业务。移动通信已成为现代人生活、工作、学习必不可少的一部分，渗透到我们生活的方方面面，丰富着我们的生活。但同时，我们也对移动通信提出了越来越高的要求。现代移动通信提供的业务形式种类繁多，面对不断增加的业务量，移动通信必须采取新的技术来解决频谱资源匮乏的问题。

移动通信的持续增长推动着新技术的诞生。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)多输入多输出技术作为新一代移动通信的关键技术之一，可以在不增加带宽的情况下成倍的提高系统的容量和频谱利用率，为移动通信技术的发展提供不可或缺的技术支持。[1]

1MIMO的基本概念

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)多输入多输出是指在通信系统的基站和移动客户端同时采用多天线设计，使得基站和客户端之间能够形成多条通信链路。相比较SIMO(Single-Input Multiple-Output) 和MISO(Multiple-Input Single -Output)而言，MIMO可以充分利用无线通信当中的多径传播，在不增加信号带宽和天线发射功率的情况下成倍的提高系统的容量和频谱利用率。[1]

如图1所示，MIMO的系统模型是一种采用分立式的多天线实现空间分集接收的技术。信源信息在发送端通过空时编码器形成n个信息子流Xnr，nr=1,2,……n。这nr个子流再通过n个天线发射，经过空间信道之后再由nR个接收天线来接收。之后再由空时译码器来实现数据子流的译码。从图中我们可以看到MIMO技术将通信链路分解成很多个并行的子信道来提高容量。在无线频谱资源相对匮乏的今天，MIMO系统由于其极高的频谱利用率已成为未来移动通信系统中最富有竞争力的技术之一。[2]

图1　 MIMO的系统模型

根据香农理论，对于SISO信道的信道容量计算遵循以下公式：

(1)

很明显，对于MIMO信道的容量会根据天线数目的变化而呈现出不同的容量。在发送端，总的数据量被分割成了多个相互独立的数据流，原则上，传输信道的容量会随着数据流的数量线性地增长，其信道容量可用下式描述：

(2)

其中，M表示被分割的数据流的个数。为了保证可靠传输，我们要求M的个数必须小于发射和接收天线的数目。

在无线传输过程中，多径传输会引起信号能量的衰落，曾一度认为是影响通信系统性能的有害因素。然而，对于MIMO系统而言，它反而可以被当成一个有利的因素来加以利用。MIMO的多天线多路径的设计，可以将多径无线传输信道与发射端、接收端视为一个整体来优化，再通过有效的空时编码，就可以实现一种近于最优的空时域联合的分集和干扰对消处理。

2MIMO信道容量仿真

仿真是通过MATLAB来实现的，通过对发射天线数目、接收天线数目和信噪比这三个参量不同的设置来实现的。

图2所示为在接收天线数目为4，不同信噪比情况下，发射天线数目的不断增加对系统容量的影响。如图所示的信噪比从上往下依次为15、10、5、0dB。

图2　 发射天线数目与信道容量关系仿真图

从图2中我们可以看到接收天线数目和信噪比都一定的情况下，随着发射天线数目的不断增加，信道容量也在不断地提升，但提升的幅度在不断减缓，当天线数目大于10后，容量几乎都没变。

图3所示为在发射天线数目为4，不同信噪比情况下，接收天线数目的不断增加对系统容量的影响。如图所示的信噪比从上往下依次为15、10、5、0dB。

图3　 接收天线数目与信道容量关系仿真图

从图3中我们可以得到和图2类似的结果。随着天线数目的增加，信道容量基本不变。

图4所示为发射天线数目为2，接收天线数目从上往下依次为10、7、5、1，在接收天线数目不断变化的过程中，信噪比和系统容量的关系。

图4　 信噪比与信道容量仿真图(1)

图5所示为接收天线数目为2，发射天线数目从上往下依次为10、7、5、1，在发射天线数目不断变化的过程中，信噪比和系统容量的关系。

图5　 信噪比与信道容量仿真图(2)

从图4、图5中我们可以看到，在发射天线数目和接收天线数目都一样的情况下，信道容量随信噪比的增加而提升。

从以上的分析结果中我们可以看出，在一定范围内，信道容量将随着天线数目的增加而线性地增大，说明我们可以在不增加信号带宽和天线的发射功率的前提下，通过MIMO信道成倍地提升信道的容量。同时，在信噪比不断增加的情况下，信道容量也可以得到提升，而MIMO技术的应用可以缓解多径干扰对信号衰落的影响，提高信号整体的信噪比。由此，我们可以证明MIMO技术在信道系统中理论的正确性。

3MIMO与空时编码相结合的技术

为了在无线传输中达到MIMO系统理论上的信道容量，必须采用适合的信道编码方案，由此空时编码应运而生。它是一种实现空域和时域最佳结合的新兴技术。MIMO在对信源进行分离的过程中，为了减少各子信号流之间的相互干扰，要求各子信号流之间是相互独立的。但信号在无线传输的过程中，不可避免地会遭受到信道衰落和噪声干扰的影响，严重的甚至会造成信号的中断。为了便于接收端对原始信息的有效提取，通过空时编码，使得不同天线上传输的子信息流都带有一定的相关性，它是MIMO达到其信道容量的一种有效、可行的方法。

空时编码包含多种不同的编码类型，有空时块码(STBC)、分层空时码(LSTC)、空时格形码(STTC)等。他们编码的核心思想都是通过多径来获得更高的频谱利用率和性能增益。[3]其中，STBC能获得分集增益，但是不能获取编码增益；LSTC能获得极大的频谱利用率，但没办法得到完全的分集增益。而STTC可以完全获得分集增益，以及很大的编码增益，还能有比较高的频谱利用率。它是实现通信系统性能、频带利用率、编译码复杂度之间的一个最佳折中，是一种最佳码。

接下来，我们讨论下STTC的基本设计准则。假设系统有M个发射天线，N个接收天线。那么在空间当中就有MN个子信道，同时我们假设这MN个子信道之间是相互独立的。T代表发射信号矢量，R代表接收信号矢量，Hi,j代表第j个接收天线到第i个发射天线的信号衰落因子，l代表一帧的长度。

设发射信号为：

(3)

(4)

由上两式可得差距阵：

(5)

Y(T，r)= X(T，r)XH(T，r)

(6)

其中XH(T,r)是X(T,r)的共轭转置矩阵。

在瑞利衰落信道下，其设计遵循以下两个准则：

(1)秩准则。

如果要获得最大的分集增益NM，那么集合{X(T，r)︳T，r∈T}中的每一个X(T，r)都必须是满秩的；若最小秩为s，那么分集增益可达到sN。

(2)行列式准则。

按照以上两个准则就能构造出STTC的状态转移图了，之后再进行相关的编码设计就可以了。

移动通信需求的持续增长直接推动着无限通信新技术的诞生。[5]在众多的新兴技术中，MIMO作为未来无线通信的框架技术，能实现空间维度资源的高效应用，在无线频谱资源的利用上显示出了非常大的潜力，它将会有一个广阔的发展前景。随着我们对高质量、高效率的移动通信需求的不断提升，MIMO在移动通信中的实际应用将更进一步地推进其技术的发展。

参考文献

[1]罗涛，乐光新.多天线无线通信原理与应用[M].北京邮电大学出版社, 2005.

[2]腾勇.多天线无线通信系统的研究[D].北京邮电大学, 2003.

[3] Arogyaswami Paulraj，等.空时无线通信导论[M].刘威鑫，译.清华大学出版社，2007.

[4]赵雪君.无线通信中的时空编码技术研究[J].科海故事博览·科教创新,2009(1).

[5]SKLAR B. Rayleigh fading channels in mobile digitalcommunication systems [J]. IEEE CommunicationsMagazine, 1997, 35(7): 90-100.

[6]高鹏，赵培，陈庆涛.3G技术问答[M].人民邮电出版社，2009.

[7]周恩，等.下一代宽带无线通信OFDM与MIMO技术[M].人民邮电出版社，2008.

[8]黄韬，等.MIMO相关技术与应用[M].机械工业出版社，2007.

[9]郑侃，等.协作通信及其在LTE-Advanced中的应用[M].人民邮电出版社，2010.

[10]杨秀清.移动通信技术[M].人民邮电出版社，2008，12.

[11]Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R. Space-Time Codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction [J]. IEEE Trans. on Information Theory, 1998,44(2).

[12]William H Tranter,K Sam Shanmugan,Theodore S,etal，Prin-ciples of Communication Systems Simulation With WirelessApplications[M].USA:Pearson,2005.

Research of MIMO Technology in Mobile Communication

Luo Xiaoqin

(Electronic and Electrical Engineering Department, Fujian Institute of Technology, Shishi, Fujian 362700，China)

Key words：MIMO；Multi-path interference；space-time coding；mobile communication

Class No.:TN92Document Mark：A

(责任编辑：郑英玲)