1 前言多入多出(MIMO)或多發多收天線(MTMRA)技術是無線移動通信領域智能天線技術的重大突破。多入多出技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。普遍認為，多入多出將是新一代移動通信系統必須采用的關鍵技術。早在70年代就有人提出將多入多出技術用于通信系統，但是對無線移動通信系統多入多出技術產生巨大推動的奠基工作則是90年代由AT&T Bell實驗室學者完成的。1995年Teladar1給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia2給出了一種多入多出處理算法對角-貝爾實驗室分層空時(D-BLAST)算法；1998年Tarokh3等討論了用于多入多出的空時碼；1998年Wolniansky等人4采用垂直-貝爾實驗室分層空時(V-BLAST)算法建立了一個MIMO實驗系統，在室內試驗中達到了20 bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統中極難實現。這些工作受到各國學者的極大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速發展。2 多入多出概念通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIMO系統來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統在發射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道。MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。圖1所示為MIMO系統的原理圖。傳輸信息流s(k)經過空時編碼形成N個信息子流ci(k)，I=1，N。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。圖1 多入多出系統原理特別是，這N個子流同時發送到信道，各發射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發射接收天線間的通道響應獨立，則多入多出系統可以創造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數據率必然可以提高。MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，從而可實現高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。系統容量是表征通信系統的最重要標志之一，表示了通信系統最大傳輸率。對于發射天線數為N，接收天線數為M的多入多出（MIMO）系統，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，并設N、M很大，則信道容量C近似為1C=min(M,N)Blog2(/2)其中B為信號帶寬，為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，多入多出系統的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統，其容量僅隨天線數的對數增加而增加。相對而言，多入多出對于提高無線通信系統的容量具有極大的潛力。3 空時碼MIMO通過多天線發射多數據流并由多天線接收實現最佳處理，可實現很高的容量。這種最佳處理是通過空時編碼和解碼實現的。文獻25已經提出了不少MIMO空時碼，其中包括空時網格碼3、空時分組碼5、空時分層碼2，4 。限于篇幅，本文只簡單介紹空時分組碼的概念。為了實現分集，接收機首先應將各獨立信道分開，然后再實現最優結合。同樣地，為了實現MIMO處理，各接收機也必須先將收到的各發射機發來的子流分開再進行處理。對22天線(2天線發射機和2天線接收機)情況，Alamouti5采用了一種特殊的發射編碼方法使接收機能實現這種分開。圖2 2x2空時分組碼圖2示出了一個采用空時分組碼2天線發射機和2天線接收機的框圖。輸入信息首先分成兩個符號一組c1、c2。在兩個符號周期內，兩天線同時發射兩個符號。第1周期，天線1發c1，天線2發c2；在第2周期，天線1發-c*2，天線2發c*1。設由發射天線j到接收天線i的信道響應為hij (i=1,2，j=1,2)，且設兩個相鄰符號周期內hij 是恒定的。對于接收天線1，相鄰兩周期的接收信號分別為：r11=h11c1+h12c2+11r12=-h11c*2+h12c*1+12其中，11，21為均值為零、方差為N0的相互獨立復高斯變量。令r1=r11,(r12)*，c=c1,c2，=11,12則上式可表為：r1=H1c+1其中：并且H1*H1=1I，H1*為H1的共軛轉置矩陣，1=|h11|2+|h12|2。若對接收矢量r1用H1*進行線性變換，設變換后矢量為r1則有：r1=H1*r1=c+上式歸結為兩個純量方程：r11=c1+11r12=c2+12即采用H1*就可將子流c1，c2分開，從而分別實現最優處理。同時考慮兩個接收天線時，相應信號區分處理為：其中H2*，r2與H1，r1同樣定義。上式表明采用線性變換H1* H2*即可實現需要的區分，進而用純量方程進行最優檢測處理。 Tarokh將上述結果推廣到發射天線數和接收天線數大于2的情況。4 研究近況目前，各國學者對于MIMO的理論、性能、算法和實現的各方面正廣泛進行研究。下面簡述其中部分研究工作情況。在MIMO系統理論及性能研究方面已有一批文獻，這些文獻涉及相當廣泛的內容。但是由于無線移動通信MIMO信道是一個時變、非平穩多入多出系統，尚有大量問題需要研究。比如說，各文獻大多假定信道為分段-恒定衰落信道。這對于寬帶信號的4G系統及室外快速移動系統來說是不夠的，因此必須采用復雜的模型進行研究。已有不少文獻在進行這方面的工作，即對信道為頻率選擇性衰落和移動臺快速移動情況進行研究。再有，在基本文獻中，均假定接收機精確已知多徑信道參數，為此，必須發送訓練序列對接收機進行訓練。但是若移動臺移動速度過快，就使得訓練時間太短，這樣快速信道估計或盲處理就成為重要的研究內容。一些文獻中，除了假定接收機完全已知信道參數之外，一般均假定發射機完全未知信道參數，MIMO處理的空時編碼是按照假定發射機對信道完全未知的條件設計的。顯然若某種方式的發射機具有關于信道的知識，利用該知識應該能夠改善性能或簡化結構。Joigren等研究了發射機已知部分信道知識的情況，并提出了一種基于線性變換的結合普通發射數字波束形成和正交空時分組碼的MIMO處理結果?？諘r編碼是MIMO的基本問題，前文中已列舉了一些基本的空時編碼方法。學者們正在不斷地提出新的或改進的方法，以改善MIMO性能，減少空時編碼系統復雜性，更好地適應新一代無線通信系統要求和信道實際情況。這方面已發表了相當多的文獻。如Hochwald等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很好地進行MIMO處理。隨后，他們又將該方法推廣到連續衰落信道情況，提出了微分單式空時碼。TURBO碼結合網格編碼調制(TCM)空時碼可以克服幀誤差率隨幀長增加而增加的問題，并可大為降低碼結構和信道結構的相互作用。空時TURBO碼的這些優點引起了學者的廣泛注意。比如，Sallathurai等針對V-BLAST的問題，提出采用軟對消方式實現檢測的TURBO編碼與貝爾實驗室分層空時(BLAST)算法結構結合的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。比如，Agrawal等提出了一種正交頻分多復用(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。實驗系統是MIMO技術研究的重要一步，目前各大公司均在研制實驗系統。Bell實驗室的BLAST系統4是最早研制的MIMO實驗系統。該系統工作頻率為1.9 GHz，發射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。頻譜利用率達到了25.9 bits/(Hzs)。但單該系統僅對窄帶信號和室內環境進行了研究，對于在3G、4G應用尚有相當大距離。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，學者們正大力進行這方面的研究。由于移動終端設備要求體積小、重量輕、耗電小，因而還有大量工作要做。參考文獻1 Telatar E. Capacity of Multiantenna Gaussian Channels. AT&T-Bell Lab Internal Tech Memo, 19952 Foschini G J. Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas. Bell Laboratiories Technical Journal, 1996,1(2):7417653 Tarokh V, Seshachi N, Calderbank A R. Space-time codes for high data rate wireless communications: performance analysis and code construction. IEEE Trans Inform Theory, 1998,44(2):7447654 Wolniansky P W, Forshini G J, Golden G D, et al. V-BLAST:an architecture for realizing very high data rates over the rich-scattering wi