MIMO技术及其应用研究

信息工程系 郭振民

摘 要: 在无线通信中，受多径干扰的影响，传输信号有较大的失真。采用空间分集技术，通过使用多个发送天线和多个接收天线，可以在一定程度上保证传输的信号质量。技术研究和分析表明无线移动通信领域智能天线的重大突破就是MIMO技术，它能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，是下一代移动通信系统中最富有竞争力的技术之一。文中给出了多输入多输出（MIMO）技术的概念，分析了MIMO系统的容量和MIMO-OFDM系统的组合结构。

关键词: 空间分集，多输入多输出技术，正交频分复用技术 1 引言

多输入多输出技术（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，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。如何使二者优势互补，有效整合，便成为国内外学者广泛关注的热点。本文介绍了MIMO技术的概念，分析了系统容量，给出了MIMO技术与OFDM技术有效整合的实用方案，这些研究对促进移动通信技术的发展有一定指导意义。

2 MIMO系统原理

MIMO系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个通道，如图2.1所示。 信 Sj(k) 源 空时编码 C1(k) R1(k)

空时编码 信 宿 CM(k) RN(k) 图2.1 MIMO系统原理

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传输信息流S（k）经过空时编码形成M个信息子流Ci(k),i1,2,...,M，这M个子流由M个天线发送出去，经空间信道后由N个接收天线接收，多天线接收机能够利用先进的空时编码处理技术分开并解码这些数据子流，从而实现最佳处理。MIMO是在收发两端使用多个天线，每个收发天线之间对应一个MIMO子信道，在收发天线之间形成MN信道矩阵H，在某一时刻t,信道矩阵为：

th1,1th1,2H(t)...ht1,Ntth2,1......hM,1tth2,2......hM,2...tth2,N......hM,N (2.1)

其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。

M个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一个频带，因而并未增加带宽。若各发射天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行的信道独立传输信息，必然可以提高数据传输速率。对于信道矩阵参数确定的MIMO信道，假定发射端总的发射功率为P，与发送天线的数量M无关；接收端的噪声用N1矩阵n表示，其元素是独立的零均值高斯复数变量，各个接收天线的噪声功率均为2；ρ为接地端平均信噪比。此时，发射信号是M维统计独立，能量相同，高斯分布的复向量。发射功率平均分配到每一个天线上，则容量公式[4]为：

Clog2[det(INMHH1MH)]H

IN(2.2)

，这时可以获得到容量的近似表达式：

固定N，令M增大，使得

HHCNlog2(1) (2.3)

det代表行列式，IN代表M维单位矩阵，HH表示H的共扼转置。

从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数的增加而线性增大。即可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发射功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高,充分展现了MIMO技术的巨大优越性。

3 MIMO技术的应用方案

前面分析指出MIMO技术优势明显，但对频率选择性衰落无能为力，而OFDM技术却有很强的抗频率选择性衰落的能力。因此将两种技术有效整合，便成为最佳的实用方案，如图3.1所示。

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信 源 信号 映 射 （M-QAM） S/P 1~N 1 S/P 1~L 1 2 L OFDM 调 制 (二进制)

2 S/P 1~L OFDM 调 制 S/P 1~L OFDM 调 制 N 图3.1 MIMO+OFDM实现框图

在本方案中，数据应进行两次串并转换，首先将数据分成N个并行数据流，将这N个数据流中的第n（n [1，N]）个数据流进行第二次串并转换成 L个并行数据流，分别对应L个子载波，接着对这L个并行数据流进行IFFT变换，再将信号从频域转换到时域，然后从第 n（n[1，N]）个天线上发送出去。这样共有NL个M-QAM(正交振幅调制)符号被发送。整个MIMO系统假定具有N个发送天线，M个接收天线。在接收端第m（m[1，M]）个天线接收到的第l（l[1，L]）个子载波的接收信号为：

Nrm,lHn1m,n,lCn,lm,l （l=1，….,L） （3.1）

其中 Hm,n,l是第l个子载波频率上的从第n个发送天线到第m个接收天线之间

的信道矩阵，并且假定该信道矩阵在接收端是已知的，Cn,l是第l个子载

m,l是第l个子载波频率上的从第m个波频率上的从第n个发送天线发送的符号，

接收天线接收到的高斯白噪声。这样在接收端接收到的第l个子载波频率上的N个符号可以通过V-BLAST算法进行解译码，重复进行L 次以后，NL个M-QAM符号就可以被恢复出来。

MIMO OFDM系统，通过在OFDM传输系统中采用天线阵列来实现空间分集，以

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提高信号质量，是MIMO与OFDM相结合而产生的一种新技术。它采用了时间、频率结合空间三种分集方法，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。深刻揭示了MIMO-OFDM系统的技术原理与理论基础。

图3.2、3.3分别为MIMO OFDM系统的发射与接收方案原理框图。从图中可以看出，MIMO+OFDM系统有Nt个发送天线和Nr个接收天线，在发送端和接收端设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。输入的比特流经串/并变换分为多个分支，每个分支都进行OFDM处理，即经过编码、交织、正交振幅调制映射、插入导频信号、离散逆傅立叶变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无线信道中。接收端进行与发送端相反的信号处理过程，例如：去除循环前缀、离散傅立叶变换、解码等，同时进行信道估计、定时、同步、MIMO检测等，以恢

S1(0) 编交 插入I 发 码 织 QAM映射 保护D 加送 间隔 F CP 端 T 1 S S1(NT-1) / P 编交 插入I 发 码 织 QAM映射 保护D 加送 间隔 F CP 端 T Nt 复出原来的比特流。

图3.2 MIMO-OFDM系统的发送方案

4 结论

MIMO和OFDM技术在各自的领域都具有显著的优势，发挥着巨大的作用，如今将二者结合并应用到下一代无线移动通信局域网中，正在成为无线通信的一个研究热点。二者的结合势必使无线局域网向着更高的速率、更大的容量、更好的性能的方向发展，必将促进移动通信技术实现新的跨越。

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1 Nt 接 检 测 编 码 DFT 去CP DFT 去CP 时频同步 收端 接收端 信道估计

图3.3 MIMO-OFDM系统的接收方案

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 [4]G.J.Foschini&M.J.Gans. On Limits of Wireless Communications in a Fading

Environment when Using Multiple Antennas. Wireless Personal Communication[J], 1998 (6):311~334

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