MIMO无线技术的研究现状

ＭＩＭＯ无线技术的研究现状　王怡莹　王云生　薛　方　史　磊　１．引言　随着无线互联网多媒体通信的快速发　展，无线通信系统的容量与可靠性亟待提　升，常规单天线收发通信系统面临严峻挑　战。采用常规发射分集、接收分集或智能天　线技术已不足以解决新一代无线通信系统　的大容量与高可靠性需求问题。可幸的是，　结合空时处理的多天线技术——多人多出　（ＭＩＭＯ）通信技术，提供了解决该问题的新　途径。它在无线链路两端均采用多天线，分　别同时接收与发射，能够充分开发空间资　源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况　下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。　然而，与常规单天线收发通信系统相比，ＭＩ．　ＭＯ通信系统中多天线的应用面临大量亟　待研究的问题ｏ　２．ＭＩＭＯ无线通信技术　２．１传统单天线系统向多天线系统演进　传统无线通信系统采用一副发射天线　和一副接收天线，称作单人单出（ＳＩＳＯ）系　统。ＳＩＳＯ系统在信道容量上具有一个不可　突破的瓶颈——ｓｈａｎｎｏｎ容量。针对　移动通信中的多径衰落与提高链路的稳定　性，人们提出了天线分集技术。而将天线分　集与时间分集联合应用，还能获得空间维与　时间维的分集效益。因此，从传统单天线系　统向多天线系统演进是无线通信发展的必　然趋势。　２．２智能天线向多天线系统演进　智能天线的核心思想在于利用联合空　．８２・　间维度与天线分集，通过最优加权合并而最　大化信干噪比，使信号出错的概率随衰　落的天线单元数目呈指数减小，而系统容量　随天线单元数目呈对数增长。然而，开关波　束阵列仅适于信号角度扩展较小的传播环　境，且自适应阵列虽可以用于信号角度扩展　较大的多径传播环境，但在高强度的多径分　量比较丰富的环境下，自适应天线系统抗衰　落的能力相当有限，这是因为智能天线技术　没有利用多径传播。由于增大阵元间距与　角度扩展及结合空时处理都有利于捕获与　分离多径，因此结合天线发射分集与接收分　集技术，充分利用而不是抑制多径传播，进　一步开发空域资源，提高无线传输性能，成　为了无线通信发展的必然趋势，即从智能天　线向多天线系统演进。　２．３　ＭＩＭＯ无线通信技术　ＭＩＭＯ无线通信技术是天线分集与空　时处理技术相结合的产物，它源于天线分集　与智能天线技术，具有二者的优越性，属于　广义的智能天线的范畴。结合天线发射分　集、接收分集与信道编码技术是无线通信发　展的趋势，在多径传播环境中，增大阵元间　距与角度扩展以及结合空时处理都有利于　捕获、分离与合并多径。ＭＩＭＯ系统在发端　与收端均采用多天线单元，运用先进的无线　传输与信号处理技术，以及无线信道的多径　传播，因势利导，开发空间资源，建立空间并　行传输通道。在不增加带宽与发射功率的　情况下，成倍提高无线通信的质量与数据速　维普资讯 http://www.cqvip.com

率，堪称现代通信领域的重要技术突破。　ＭＩＭＯ无线通信技术已不是传统智能　天线，其优势已非常规智能天线所及。智能　ＭＩＭＯ技术利用了无线信道多径传播　的固有特性：在无线通信中，如果在发送端　与接收端同时采用多天线系统，只要各天线　天线采用加权选择算法驱动波束指向，通过　单元间距足够大，无线信道散射传播的多径　将能量聚集到期望方向而提到信噪比，抑制　分量足够丰富，各对发一收天线单元间的多　而不是利用多径传播。对于ＭＩＭＯ系统，若　径衰落就趋于，即各对等效的发一收天　其Ｎ副发射天线与Ｍ副接收天线的无线链　线间的无线传输信道趋于，这些同频　路Ｎ　Ｘ　Ｍ信道矩阵的元素是完全的，则　系统的容量随最小天线数目线性增长，而不　是采用智能天线下的对数增长。理论上，对　于理想的随机信道，如果天线的空间和成本　与射频通道不受，ＭＩＭＯ系统就能提供　无限大的容量。与ＭＩＳＯ和ＳＩＭＯ系统相　比，ＭＩＭＯ系统的容量提升几乎难以置信，　它是空间维度充分结合时间维度的结果，即　采用空时编码的数据流利用矩阵信道而不　是智能天线系统中的向量信道传输数据。　率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相　互正交。Ｎ　Ｘ　Ｍ的ＭＩＭ０系统的框图见图　１。发射数据流ｓ被分离为Ｎ路子数据流，　在调制与射频前端处理后以相同的频率分　别经Ｎ副天线同时发射出去。经无线信道　的散射传播，这些并行子流从不同路径到达　接收机，由Ｍ副天线接收，接收机采用先进　的信号处理技术对各接收信号联合处理，可　恢复出原始数据流。　多经信道　图１　ＭＩＭＯ无线通信系统框图　３．ＭＩＭＯ无线通信技术的研究现状与　趋势　３．１　ＭＩＭＯ算法开发　虽然理论分析结果表明ＭＩＭＯ无线技　自从１９９５年Ｔｅｌａｔａｒ推导出多天线高　斯信道容量、１９９６年Ｆｏｓｃｈｉｎｉ提出ＢＬＡｓＴ　算法、１９９８年Ｔａｒｏｋｈ等提出空时编码以来，　ＭＩＭＯ无线通信技术的研究如雨后春笋般　涌现。至２００５年年底，ＩＥＥＥ数据库收录该　领域的研究论文已达数千篇，从ＭＩＭＯ无线　术能够极大地提高系统容量与可靠性，但仅　有分析是不够的，更为重要的是开发误码性　能与复杂度折衷的传输方案以获取ＭＩＭＯ　系统的实际性能增益。大量ＭＩＭＯ算法企　图同时充分获取分集与复用增益，因此可将　ＭＩＭＯ算法方案分为两大类。　第一类是分集最大化方案，即空时编码　（ＳＴＣ）方案。天线分集可以对抗信道衰落，　提高无线链路的可靠性，并且联合应用　天线分集与时间分集，可以获得更好的分集　・通信技术的理论研究到实验验证，再到商用　化的各个方面。目前，国际上很多科研院校　与商业机构都争相对ＭＩＭＯ通信技术进行　深入研究，其研究现状如下。　８３・　维普资讯 http://www.cqvip.com

效果，即通过空时编码而增加传输的空时冗　余信息，从而提高无线传输的稳健性。在延　时发射分集的基础上，Ｔａｒｏｋｈ等提出了空时　格形码（ｓＴｒｃ），它具有卷积码的特征，并将　格形编码、调制与发射分集结合在一起，在　不增加带宽的情况下，可以同时获得满分集　与高编码增益。它利用某种格形图，将同一　信息从多副天线发射出去，在接收端采用基　于欧式距离的Ｖｉｔｅｒｂｉ译码，其复杂度很高，　且随传输速率呈指数增加，但其性能较好，　抗衰落能力强。随后，各种空时编码得到快　速发展，如Ｔｕｒｂｏ空时格形码与级联空时码　等。然而，空时编码的盛行实际是从空时分　组码（ＳＴＢＣ）的发现开始的，因为ＳＴＢＣ的　构造比较容易。由于发射信号两两正交，收　端可采用线性最大似然检测，其译码简单。　ＳＴＢＣ的性能只与分集阶有关，它可以获得　满分集增益，但是没有编码增益，其抗衰落　性能较差，尤其是抗快衰落性能很差，因此，　更适于微小区或微微小区环境。　第二类为数据率最大化方案，即复用方　案，因为ＭＩＭＯ系统的多天线也可实现空间　复用。无线信道的多径传播增加了ＭＩＭＯ　系统可用的自由度，若各对收发天线路径的　衰落，则空间矩阵信道创建了多个并行　的空间传输通道，利用并行通道传输的　信息流，从而提高系统的数据率。著名的　ＢＬＡＳＴ结构，就是将待发射的信息流分解　为多路并行子流，对各路地进行编码、　调制与映射到其对应的发射天线上，在收端　采用迫零或迫零结合干扰消除等技术将多　路子数据流分离。其实质是将单路高信噪　比信道分解为多路相互重叠的低信噪比信　道并行传输，达到空间复用的目的，从而提　高频谱利用率。复用方案也可归结为分层　空时编码结构（ＬＳＴ），包括ｖ＿ＢＬＡＳＴ、Ｄ—　ＢＬＡＳＴ及Ｔ—一ＢＬＡＳＴ等。　・８４・　然而，纯粹的天线分集与纯粹的复用方　案并非最优方案，因为ＭＩＭＯ系统本身的自　由度在给定天线配置下是有限的，它们各自　都只解决了问题的一个方面，即获取更高的　分集增益是以牺牲复用增益为代价的，反之　亦然。于是，在ＭＩＭＯ算法开发中如何对二　者进行折衷以同时获得分集与复用增益达　到最佳的系统性能，成为人们追求的目标。　另外，其他一些ＭＩＭＯ算法也成为ＭＩ－　ＭＯ算法开发的重要分支，它们确保了ＭＩ－　ＭＯ系统正常且有效地工作。　３．２　ＭＩＭＯ无线信道建模　ＭＩＭＯ系统利用无线信道的多径传播，　开发空间资源，建立空间并行矩阵传输通　道，利用空时联合处理提高无线通信系统的　容量与可靠性。然而，决定空时处理性能的　关键因素在于无线传播信道的空时特性。　研究表明，只有在无线信道散射传播的多径　分量足够丰富的条件下，各对发一收天线单　元间的多径衰落才趋于，信道矩阵才趋　于满秩；如果散射不够丰富或天线单元间距　较小等，多径衰落将不完全，信道矩阵　也非满秩，ＭＩＭＯ信道的空间优势得不到充　分发挥，ＭＩＭＯ系统传输方案的性能将下　降，即信道传播条件决定了ＭＩＭＯ系统的信　道容量。一方面，需开发更加稳健的空时处　理算法，如空时编解码、空时均衡与ＭＩＭＯ　收发信机算法；另一方面，需开发ＭＩＭＯ无　线信道模型以模拟各种实际信道条件、评估　各种空时处理算法的相对性能、仿真与优化　设计高性能的通信系统。　３．３　ＭＩＭＯ天线设计　发射与接收多天线系统是ＭＩＭＯ无线　系统的重要组成部分，其性能直接影响ＭＩ－　ＭＯ信道的性能。多天线发出的信号在无　线信道中经散射传播而混合在一起，再经收　端多天线接收后，系统通过空时处理算法分　维普资讯 http://www.cqvip.com

离并恢复出发射数据，其性能取决于各天线　单元接收信号的程度，即相关性，而多　天线间的相关性与散射传播及天线特性密　切相关。因此，实现ＭＩＭＯ系统的高性能除　依赖于多径传播的丰富度外，还依赖于多天　线单元的合理设计。　ＭＩＭＯ无线系统的多天线，一方面，其　天线单元间距较大，必须具有分集功能，不　同于常规智能天线；另一方面，各天线单元　应该尽可能接收各方向的散射达波，因此也　不同于常规分集天线。天线单元数目、天线　单元间距与天线安装位置等都是至关重要　的因素。比如，对于基站天线，其天线数目　较小，但由于安装位置较高而散射扩展　较小，要求天线单元间距较大；对于便携终　端天线，其数目与位置要求都较严；对于手　机天线，天线数目与间距要求尤为严格。实　验表明，由于散射传播环境不同，提供空间低　相关的衰落信号所需要的天线单元闻距也　不一样。比如，偏远地区的宏小区环境可能　需要若干个波长间隔才能获得天线解相关，　而丰富散射的室内环境可能只需半个波长　间距。对于极化域而言，交叉极化耦合度决　定了能否提供极化分集，或能否提供近似正　交的并行信道，因此，ＭＩＭＯ多天线的设计是　与传播环境和天线的安装位置紧密相关的。　３．４　ＭＩＭＯ测试平台搭建与ＭＩＭＯ芯　片开发　１９９８年贝尔实验室开创性的实验验证　了Ｖ—ＢＬＡｓＴ的可行性，随之引发了对ＭＩ－　ＭＯ技术的广泛研究，进而促使人们开发　ＭＩＭＯ测试平台进行信道测试。ＭＩＭＯ无　线传输技术发展至今，理论日渐成熟，而现　场测试亟待进行。开发测试平台进行现场　测试对于ＭＩＭＯ通信技术迈向实用化具有　重要意义。先进的多天线系统测试平台，不　但可以探测各种传播环境下的ＭＩＭＯ信道　特征，验证信号处理算法性能，而且有助于　评估算法实时实现的可行性０这些测试平　台也是进行新技术研究与实际系统开发的　重要基地。国外很多研究机构纷纷进行实　验平台开发与外场测试，并有大量实验结果　发表，如国内电子科技大学与东南大学的室　内外ＭＩＭＯ实验，国际上Ｖ—ＢＬＡｓＴ的可行　性验证实验、ＩＳＴ　ＭＥＴＲＡ项目的室内外实　验与ＢＹＵ的室内ＭＩＭＯ实验等，它们极大　地促进了ＭＩＭＯ技术的发展。　随着ＭＩＭＯ技术日趋成熟，为适应市场　发展，诸多无线产品厂商共同合作，提出各　种以ＭＩＭＯ技术为基础的解决方案，并且进　行ＭＩＭＯ芯片的开发。目前，主要的ＭＩＭＯ　芯片制造商包括Ａｉｒｇｏ、Ａｔｈｅｒｏｓ、Ｍｅｔａｌｉｎｋ与　Ｒａｌｉｎｋ等，一些设备制造商已将芯片用于自　己的ＭＩＭＯ产品，而且Ａｉｒｇｏ开始试产第三　代Ｍ１ＭＯ芯片，并同Ｌｉｎｋｓｙｓ公司一起研发　产品。总之，全球的ＭＩＭＯ芯片市场　日益壮大，为ＭＩＭＯ技术的商用打下基础。　３．５　ＭⅢＯ技术的标准化进展　随着Ｍ１ＭＯ技术日趋成熟，并向实用化迈　进，国际．ｊ二彳艮多研究机构已不断推动ＭＩＭＯ技　术的标准化进程，包括：ＭＩＭＯ无线传播信道　模型的标准化和ＭＩＭＯ技术的标准化。　在国内，科技部对新一代无线通信技术　相当重视，已启动的未来通用无线通信技术　研究计划（ＦＵ，ｒＵＲＥ）分为三阶段实施：在第　二阶段（２００４．１到２００５．１２），Ｂ３Ｇ／４Ｇ空中　接口技术研究达到相对成熟的水平，并进行　与之相关的系统总体技术研究（包括与无　线自组织网络、游牧无线接入网络的互联互　通技术研究等），完成联网实验和演示业务　的开发，建成具有Ｂ３Ｇ／ｇＧ技术特征的演示　系统，向Ｉ’ｒＵ提交初步的新一代无限通信体　制标准；在第三阶段（２ｏｏ６．１到２０１０．１２），　完成通用无线环境的标准研究及其系　・８５・　维普资讯 http://www.cqvip.com

统实用化研究，开展较大规模的现场实验，　术是一项全新的技术，在其算法开发、信道　建模、天线设计、测试平台搭建、芯片开发与　完成预商用系统的研制。　４．结束语　总之，ＭＩＭＯ无线通信技术日趋成熟，　逐步从理论研究走向产品开发。ＭＩＭＯ技　标准化方面还有大量工作有待进行。但其　锐不可当的发展趋势已预示着高速无线传　输时代的来临。　匈　毒啤ｓ卑　｛『！短距离微功率　岛　ｅ＂　基于ＺｉｇＢｅｅ的无线通信技术及其应用　丁　飞　张西良　张世庆　引言　菱电气公司组成的联盟（ＺｉｇＢｅｅ联盟）联合　制定。ＺｉｇＢｅｅ工作于２．４ＧＨｚ（全球流行）、　９１５　ＭＨｚ（美国）和８６８　ＭＨｚ（欧洲）三个频　段上，并分别具有２５０　ｋｂｉｔ／ｓ、４０　ｋｂｉＣｓ、２０　随着信息技术的发展，人们对网络通信　技术的要求不断提高，传统的数字化设备的　有线连接给人们随时随地与信息网络相连　和通信带来了很多不便０发展无线通信技　术，将人们从有线连接的束缚中出来，　已经成为一种必然趋势。事实上，近几年　来，一些公司和标准化组织就开始探寻在不　ｋｂｉｔ／ｓ的数据传输速率。从能量和成本效　率来看，不同的数据速率能为不同的应用提　供较好的选择［２］。ＺｉｇＢｅｅ的传输距离大　致在１０＿３００ｍ，其中２．４ＧＨｚ的传输距离　只有１０ｍ左右，９１５　ＭＨｚ的传输距离可至　３０—７５　ｒｆｌ，而８６８　ＭＨｚ时的传输距离可达　３００　ｍ。这个距离只是单段传输距离的理论　值，实际的传输距离还必须要根据发射功率　的大小、应用模式以及中继节点的使用情况　而定［３］。　１．２　ＺｉｇＢｅｅ技术的主要特征［１＿３］　同领域的无线连接技术，并且开发出一系列　技术标准，其中有些标准已经得到了很好的　应用，如红外、ｗｉ—Ｆｉ（ＩＥＥＥ　８０２．１１　ｂ）、家　用射频和蓝牙等。ＺｉｇＢｅｅ作为一种新兴的　无线通信技术，强调简单易用、近距离、低速　率、低功耗（电池寿命长），极廉价的市场定　位，在当前低速率无线个人区域网络（ＬＲ—　ＷＰＡＮ：ｌｏｗ—ｒａｔｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｐｅｒｓｏｎａｌ　ａｒｅａ　ｎｅｔ—　ｗｏｒｋ）中的应用潜力是巨大的［１］。　１．ＺｉｇＢｅｅ技术内容及特点　１）工作频段灵活：使用的频段分别为　２．４　ＧＨｚ、８６８　ＭＨｚ和９１５　ＭＨｚ，均为免授权　频段；　１．１　ＺｉｇＢｅｅ技术简介　ＺｉｇＢｅｅ是一种基于ＩＥＥＥ　８０２．１５．４标　准的短距离无线通信的技术规范，于２００２　年１０月由荷兰飞利浦半导体公司、美国摩　托罗拉公司、英国Ｉｎｖｅｎｓｙｓ公司以及日本三　・２）功耗低：发射功率仅１　ｍＷ，还可采　用休眠模式，一两节５号电池可以工作１—　２年；　３）成本低：ＺｉｇＢｅｅ模块初始成本大约５　美元左右，未来预计成本５０美分；　８６・