天线在广播信道中的容量分析 - MIMO技术介绍与MIMO与OFDM的结合对移动通信的优化

对于收发端都有多根天线的高斯矢量多址信道，虽然可以采用标准的凸优化理论，但是由于这时需要优化的参数为各个用户发送天线上的输入协方差矩阵，采用标准算法会非常复杂，即使利用矩阵行列式最优化算法也会非常复杂。因此，研究最大化高斯矢量多址信道的加权和容量算法也是MIMO技术的研究热点之一。

天线在广播信道中的容量分析

由于存在天线间和用户间干扰，所以多天线广播信道属于非退化（non－degraded）的广播信道，并且其容量域一直不明确。对于可退化（degraded）的广播信道，比如单天线的广播信道，已经有了其容量域以及各个用户的速率分配方法。近年来，对于多天线广播信道容量域的研究也取得了很大进展。其中，DPC技术是解决多天线广播信道容量域问题的关键。

还有一些非DPC的干扰处理方法，比如传统的波束成形（BF）技术通过在发送端设计加权矢量，使不同用户的信号完全正交，设计加权矢量的准则有迫零法（ZF）、最小化均方误差法（MMSE）等。其他基于波束成形技术的扩展技术包括联合信道对角化、扰动的预信道均衡等。

多入多出(MIMO)技术祥解

多入多出(MIMO)或多发多收天线(MTMRA)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术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，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。

那么MIMO技术究竟是怎样的？

实际上多进多出（ＭＩＭＯ）技术由来已久，早在１９０８年马可尼就提出用它来抗衰落。在70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是90年代由AT&TBell实验室学者完成的。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法——对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码；1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速发展。

一句话，MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put）系统就是利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO（Single-InputSingle-Output）系统，MIMO还可以包括SIMO（Single-InputMulti-ple-Output）系统和MISO（Multiple-Input Single-Output）系统。

MIMO的概念

通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图1所示为MIMO系统的原理图。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。

MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)

其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。

可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用ＭＩＭＯ信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用ＭＩＭＯ技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。目前ＭＩＭＯ技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。

MIMO研究状况

目前，各国学者对于MIMO的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进行研究。