多入多出(MIMO:Multiple-Input Multiple-Output)技術對于傳統的單天線系統來說，能夠大大提高系統容量和頻譜利用率，使得系統能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數據業務。本文簡要介紹了無線通信中MIMO技術的發展現狀、研究熱點及應用。

　　從2001年12月NTT DoKoMo開始提供3G商用業務以來，一些國家也陸續準備部署3G網絡。與此同時，各國已開始或者計劃新一代移動通信技術的研究，爭取在未來移動通信領域內占有一席之地。這里所提到的新一代移動通信是指后3G或者4G。目前普遍認為后3G的傳輸速率將超過100M；能夠實現全球無縫漫游，有非常高的靈活性，能自適應地進行資源分配；支持下一代internet(IPV6)，而且是全IP網絡，服務成本低也將是后3G的一個重要特征。隨著時勢的發展，未來移動通信寬帶無線移動和無線接入融合系統成為當前熱門的研究課題，而MIMO(多進多出)系統是人們研究較多的方向之一。

　　一、MIMO技術的概念

　　MIMO用于通信系統的概念早在20世紀70年代就有人提出，但是對無線移動通信系統MIMO技術產生巨大推動的奠基工作則是20世紀90年代由AT&T Bell實驗室學者完成的。1995年Teladar給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshini給出了一種MIMO處理算法——D-BLAST(Diagonal-BLAST，對角BLAST)算法；1998年Tarokh等討論了用于MIMO的空時碼；1998年Wolinansky等采用V-BLAST(Vertical-BLAST，垂直BLAST)算法建立了一個MIMO實驗系統，在室內試驗中達到了20bps/Hz以上的頻譜利用率，這在普通系統中是極難實現的。這些工作引起了各國學者的極大注意，并使得MIMO的研究得到了迅速發展。

　　多輸入多輸出(MIMO)技術是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，信號通過發射端和接收端的多個天線傳送和接收，從而改善每個用戶的服務質量(誤比特率或數據速率)。而傳統的通信系統是單進單出(Single-InputSingle-Output，SISO)系統。基于發射分集和接收分集的多進單出(Multiple-Input Single-Output，MI2SO)方式和單進多出(Single-InputMultiple-Output，SIMO)方式也是MIMO的一部分。

　　二、MIMO技術的發展現狀

　　作為無線高速數據傳輸的關鍵技術—MIMO其理論、性能、算法和實現的各方面均被各國學者廣泛地進行著研究。但是由于無線移動通信MIMO信道是一個時變、非平穩多輸入多輸出系統，尚有大量問題需要研究。

　　空時編碼是MIMO的基本問題，現在已提出了不少關于MIMO及空時編碼算法。但是為了在4G等新一代系統中實際應用MIMO，在空時編碼算法研究上還有很多工作要做。新一代無線通信系統計劃采用空時處理技術，例如IEEE802.16.3寬帶固定無線接入標準的物理層把空時碼作為內碼，RS碼作為外碼；歐洲WIND-FLEX項目研究空時處理用于室內64～1OOMbit/s的無線自適應MODEM。數據速率20Mbit/s、帶寬效率提高20%的空時碼是4G的重要技術之一。人們正在不斷地提出新的或改進的空時編碼方法，以改善MIMO性能，減少空時編碼系統復雜性，更好地適合新一代無線通信系統的要求和信道實際的情況。

　　Hochwald提出了一種針對分段恒定衰落信道的新的信號調制方法——單式空時調制(Unitary Space-time Modulation)。這種方法可以在不估計信道傳輸矩陣的條件下實現MIMO處理。隨后，他們又將該方法推廣到連續衰落信道，提出了微分單式空時碼。Bauch提出了將Turbo碼與短空時分組碼串接；Narayanan也提出了將Turbo碼與短空時分組碼串接；Liu基于秩理論提出了全分集和全速率空時Turbo碼；Cui等研究了并行級聯Turbo空時碼；Sallathurai等針對V-BLAST的問題，提出采用軟對消方式實現檢測的Turro編碼與BLAST結構結合的MIMO處理方案。

　　為了在新一代系統中實際應用MIMO技術，就必須結合具體通信體制(多址方式、雙工方式、調制方式、常規信道編碼方式、多用戶檢測方式、波束形成方式等)進行性能研究和系統設計。近來，已有一批有關的研究結果發表。Agrawal等提出了一種OFDM與空時碼結合的MIMO方案；Goeckel等提出了用于OFDM的多維信號集；Wang等研究了在相關衰落信道情況下OFDM空時碼系統。

　　空時碼與信道編碼等處理的結合是空時研究的重要方向。Liu和Hanzo對空時碼與信道碼的級聯進行了很好的闡述。

　　MIMO實驗系統研究是極為重要的內容，各大公司均在研制實驗系統。Bell實驗室的BLAST系統是早研制的MIMO實驗系統。該系統工作頻率為1.9GHz，發射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。在室內實驗時，發射分支長為100符號，其中20符號用于訓練，符號率為24.3kSym2bol/s。8個發射子流均用未編碼的16QAM，達到了25.9bps/Hz的頻譜效率。但該系統僅對窄帶信號和室內環境進行了研究，對于在3G、4G中應用尚有相當大的距離。

　　實際系統研究的一個重要問題是在移動終端實現多天線和多路接收，許多學者正在進行這方面的研究。由于移動終端設備要求體積小、重量輕、耗電小，因而有大量工作要做。

　　三、MIMO技術的研究熱點

　　1、MIMO信道的建模和仿真

　　為了更好地利用MIMO技術，必須深入研究MIMO信道特性，尤其是空間特性。與傳統信道不同的是，MIMO信道大多數情況下都具有一定的空間相關性，而不是相互獨立的。在2001年11月的3GPP會議中，由朗訊、諾基亞、西門子和愛立信公司聯合提出了標準化MIMO信道的建議。3GPP和3GPP2推薦的鏈路級MIMO信道的建模方法有兩個：基于相關(Corrlration-Based)的方法和基于子徑(EAGC-A14H)的方法。盡管3GPP和3GPP2對鏈路級的信道參數進行了定義，但是對于如何實現并沒有達成共識。研究信道的相關性對系統容量的影響成為MIMO技術的研究方向之一。

　　另外，目前對MIMO系統的研究都是假定在理想信道估計條件下進行的，而實際上在接收端無線傳播環境中是不可能知道信道沖激響應的，因此要進行信道估計。由于在MIMO系統中進行信道估計時，天線之間存在著干擾，因此，研究在天線之間存在干擾時的信道估計方法也是目前研究的熱點。

　　2、MIMO系統的天線選擇技術

　　因為多天線需要多射頻RF電路，而RF又非常昂貴，因此，尋找具有MIMO天線優點且低價格、低復雜度的天線子集選擇技術極具吸引力。多天線選擇發送接收系統就是利用一定的準則從M根發送天線中選擇出MS根天線用于發送信號，同樣在接收端從N根接收天線中選擇出NS根用于接收信號，這樣就構成了選擇的MS×NS的MIMO系統。一般來說，與多天線的應用對應，選擇準則也可分為兩種：一種是以化多天線提供的分集來提高傳輸質量；另一種是以化多天線提供的容量來提高傳輸效率。

　　3、MIMO系統的信號處理

　　早期關于MIMO技術的研究大多數還集中在單用戶點到點的環境中，而沒有考慮其他用戶的共信道干擾。近，人們將研究重點逐漸轉移到多用戶MIMO信道中來。在多用戶MIMO系統的下行鏈路中采用空分多址(SCDMA)可以給系統吞吐量帶來可觀的增益。這樣的多用戶MIMO系統的技術難點在于如何設計發射向量以消除用戶間的共信道干擾。典型的“問題”包括功率受限時的容量問題(化和信息速率)或用以滿足每個用戶特定QoS的功率控制問題(小化發射功率)。雖然對于一般的多用戶MIMO信道，這兩個問題都沒有閉環解決方案，但是強加某些特定的限制時可以得到閉環解決方案。常見的包括：塊對角化、逐次化、波束成形法以及結合空時編碼來消除多用戶之間的干擾。

　　4、多天線系統在多址信道中的容量分析

　　從理論上來說，多天線多址系統的容量域已經非常清楚，但是如何讓容量域滿足各種條件的用戶傳輸速率集仍然沒有很好地解決。從結構來看，這是一個非線性優化問題，采用傳統的凸優化的方法雖然可以得到解決，但是計算量會非常龐大，必須尋找簡單快速的方法。在某些特殊情況下，比如，多用戶和容量(所有用戶的速率加權值一樣)的優化問題，有文獻已經提出了非常有意義的多用戶注水迭代算法，這種方法充分利用了原始優化問題的結構，利用矩陣理論和凸優化理論快速迭代求解。但是這種特殊情況對于實際網絡來說沒有太大的意義，因為實際網絡中不同用戶位于網絡中的不同位置，采用相同速率加權值的做法會導致網絡邊緣用戶的傳輸速率得不到保證，所以應對長期傳輸速率比較低的用戶給予較大的速率加權值以提高該用戶的傳輸速率。而在引入優先級后，采用多用戶和容量的傳輸準則就不適用了，必須采用加權和容量的準則，不同用戶速率的加權體現了用戶的優先級，優先級越高，用戶速率加權值越大，反之亦然。對于這種情況下的調度策略，以及用戶速率分配策略，利用高斯標量多址的容量域公式以及化算法來解決這一問題。

　　對于收發端都有多根天線的高斯矢量多址信道，雖然可以采用標準的凸規劃理論，但是由于這時需要優化的參數為各個用戶發送天線上的輸入協方差矩陣，采用標準算法會非常復雜，即使利用矩陣行列式化算法也會非常復雜。因此，研究化高斯矢量多址信道的加權和容量算法也是MIMO技術的研究熱點之一。

　　5、天線在廣播信道中的容量分析

　　由于存在天線間和用戶間干擾，所以多天線廣播信道屬于非退化(non-degraded)的廣播信道，并且其容量域一直不明確。對于可退化(degraded)的廣播信道，比如單天線的廣播信道，其容量域以及各個用戶的速率分配方法已經得到了解決。近年來，對于多天線廣播信道容量域的研究也取得了很大進展。其中，DPC技術是解決多天線廣播信道容量域的關鍵。

　　還有一些非DPC的干擾處理方法，比如傳統的波束成形(BF)技術通過在發送端設計加權矢量使不同用戶的信號完全正交，設計加權矢量的準則有迫零法(ZF)、小化均方誤差法(MMSE)等。其他基于波束成形技術的擴展包括聯合信道對角化、擾動的預信道均衡等。

　　6、MIMO技術與OFDM技術的結合

　　MIMO技術與OFDM技術相結合被視為下一代高速無線局域網的核心技術。OFDM技術其實是多載波調制(MCM)的一種。它將信道分成許多正交子信道，然后在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸，這樣就減少了子信道之間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。由于每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。MIMO OFDM技術通過在OFDM傳輸系統中采用陣列天線實現空間分集，提高了信號質量。它利用時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。實現兩者結合的關鍵技術包括：發送分集、空間復用、接收分集和干擾消除、軟譯碼、信道估計以及同步。

　　四、MIMO技術的應用

　　2006年4月，在美國拉斯韋加斯舉辦的2006年CTIA無線通信展上，愛立信完成了全球基于多輸入多輸出(MIMO)技術的高速分組接入(HSPA)演示。該演示基于愛立信商用無線基站。采用MIMO技術的HSPA可把下行鏈路的傳輸速率提高一倍至28Mbps。

　　目前，朗訊、松下、金橋和NTT DoCoMo等公司都在積極倡導MIMO天線系統技術的應用。在3GPP的高速下行鏈路分組接入方案(High Speed Downlink Packet Access，HSDPA)中提出了使用MIMO天線系統，這種系統在發送和接收方都有多副天線，可以認為是雙天線分集的進一步擴展。另外，在3GPP(第三代協作伙伴項目)的WCDMA(寬帶碼分多址)協議中，涉及到了6種分集發射方法，即空時分集發射(Space Time Transmit Diversity，STTD)間切換分集發射(Time Switched Transmit Diversity，TSTD)、兩種閉環分集發射模式、軟切換中的宏分集，以及站點選擇分集發射(Site Selection Diversity Transmit，SSDT)。宏分集是指在CDMA(碼分多址)系統的軟切換過程中，可以通過2個甚至3個基站同時向一個移動臺發射同樣的信號，這是宏分集發射；同樣，接收時通過相鄰的基站進行分集接收(多個基站接收)，即進行宏分集接收。

　　MIMO技術已經廣泛地應用在固定寬帶無線接入領域中，采用MIMO的主要公司是Iospan Wireless和Raze Technologies。Iospan Wireless的AirBurst系統是基于MIMO-OFDM(正交頻分復用)的FDD(頻分雙工)系統。Raze Technologies的SkyFir系統也具有MIMO接口，并且可以用波束成形控制器來升級。

　　結束語

　　在頻帶資源有限而高速數據需求無限增長的現實下，利用增加發射天線來增加空間自由度、改善系統性能、提高頻帶利用率是無線通信領域中的一個研究方向。MIMO技術以其特有的優點，將成為未來移動通信中的關鍵技術之一，將對無線蜂窩系統的發展產生深遠的影響。