多入多出(MIMO)系統(tǒng)指在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線的通信系統(tǒng)。研究證明,，MIMO技術(shù)非常適用于城市內(nèi)復(fù)雜無線信號傳播環(huán)境下的無線寬帶通信系統(tǒng),，在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到20～40 bit/s/Hz;而使用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動蜂窩中的頻譜效率僅為1～5 bit/s/Hz，在點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有10～12 bit/s/Hz,。通常,，射頻信號多徑會引起衰落，因而被視為有害因素,。然而研究結(jié)果表明,，對于MIMO系統(tǒng)來說,，多徑可以作為一個有利因素加以利用,。 MIMO技術(shù)作為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段得到人們越來越多的關(guān)注，被認(rèn)為是新一代無線通信技術(shù)的革命,。
1 MIMO系統(tǒng)的3種主要技術(shù)
當(dāng)前,，MIMO技術(shù)主要利用發(fā)射分集的空時編碼,、空間復(fù)用和波束成型等3種多天線技術(shù)來提升無線傳輸速率及品質(zhì)。
1.1 發(fā)射分集的空時編碼
基于發(fā)射分集技術(shù)的空時編碼主要有2種,，即空時分組碼(STBC)和空時格碼(STTC),。雖然空時編碼方案不能直接提高數(shù)據(jù)率，但是通過這些并行空間信道獨(dú)立,、不相關(guān)地傳輸信息,，從而使信號在接收端獲得分集增益，為數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制創(chuàng)造條件,。
1.1.1 空時分組碼(STBC)
STBC在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號錯誤率,，它通過在發(fā)射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益,，空時分組碼是將同一信息經(jīng)過正交編碼后從多根天線發(fā)射出去,。MIMO系統(tǒng)的原理如圖1所示，傳輸信息流s(k)經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流 ci(k),，i=1,，...，N,。這N個信息子流由N個天線發(fā)射出去,，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流,，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理,。特別是這N個子流同時發(fā)射信號，各發(fā)射信號占用同一頻帶,，因而并未增加帶寬,。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立不相關(guān)，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道,。
STBC是1998年,，Alamouti提出的一種非常簡單的發(fā)射分集技術(shù)，由于其簡單的結(jié)構(gòu)和良好的性能,，很快進(jìn)入了3GPP標(biāo)準(zhǔn),。STBC實(shí)質(zhì)上是將同一信息經(jīng)過正交編碼后從2個天線上發(fā)射出去，2路信號由于具有正交性,，在接收端就能將2路獨(dú)立的信號區(qū)別出來,，只需要做簡單的線性合并就可以獲得分集增益。
但是,，STBC的正交碼組的構(gòu)建還存在一定的問題,。對于實(shí)數(shù)信號星座(PAM星座)，它才可以構(gòu)造編碼速率為1的空時編碼算法,。但是,，對于一個普通的復(fù)數(shù)信號星座,，例如MQAM(如16QAM)或MPSK(如8PSK)，當(dāng)發(fā)射天線陣子數(shù)目大于2時,，是否存在編碼速率為1的碼組還有待更深入的研究,。目前對于發(fā)射天線陣子數(shù)目等于3、4以及大于4的系統(tǒng),，如果采用復(fù)數(shù)信號星座,，那么最大的空時編碼速率只能達(dá)到3/4和1/2?？梢?，對于采用高階調(diào)制的高速率多天線的無線通信系統(tǒng)，如果直接采用空時分組編碼算法,，不可能充分地利用系統(tǒng)的有效性,。因此，尋找更好的空時分組碼目前已成為一個研究方向;另外,，如何在頻率選擇性信道,、時間選擇性信道中充分利用空時分組碼的優(yōu)勢也是一個研究課題?？傊?，當(dāng)前STBC還是基于發(fā)射天線陣子數(shù)目等于2的發(fā)射分集技術(shù)。
1.1.2 空時格碼(STTC)
STTC是從空時延遲分集發(fā)展來的,，而空時延遲分集可以看作是空時格碼的一個特例,。空時格碼具有卷積碼的特征,，它將編碼,、調(diào)制、發(fā)射分集結(jié)合在一起,，可以同時獲得分集增益和編碼增益,，并且使得系統(tǒng)的性能有很大的提升?？諘r格碼利用某種網(wǎng)格圖,，將同一信息通過多個天線發(fā)射出去，在接收端采用基于歐式距離的Viterbi譯碼器譯碼,。因此譯碼復(fù)雜度較高,，而且譯碼復(fù)雜度將隨著傳輸速率的增加呈指數(shù)增加。
早期的分集模型采用延時發(fā)送分集,，這種分集的框圖如圖2所示,。編碼后的數(shù)據(jù)首先被重復(fù)一次，然后通過一個串/并轉(zhuǎn)換器，分成2個完全相同的數(shù)據(jù)流,。其中一數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制后直接從一個天線發(fā)送出去;另一數(shù)據(jù)流經(jīng)過一個符號的延時后,，再經(jīng)調(diào)制從另一個天線發(fā)送出去,。由于數(shù)據(jù)在2個天線上同時發(fā)送,，不同的只是一路數(shù)據(jù)被延時了一個符號，所以盡管采用了延時編碼,，卻不會存在頻帶效率的損失,。在接收端，通過Viterbi譯碼可以進(jìn)行解調(diào),。這種延時的分集就是空時碼的雛形,。可以證明當(dāng)前所講的STTC可以由延時發(fā)送分集實(shí)現(xiàn),。
延時分集技術(shù)的產(chǎn)生使人們很自然地想到,，能否存在一種更好的編碼方式，不需要重復(fù)編碼,，就能在保持同樣的數(shù)據(jù)速率,、不犧牲帶寬的情況下獲得更好的性能，這樣就產(chǎn)生了一種新的編碼方式,，這就是集空分,、時分、調(diào)制于一體的空時編碼,。
在空時編碼中,，STTC能夠在不增加傳送寬帶和不改變信息速率的情況下，獲得最大的編碼增益和分集增益,。
1.2 空間復(fù)用
系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分割成多份,，分別在發(fā)射端的多個天線上發(fā)射出去，接收端接收到多個數(shù)據(jù)的混合信號后,，利用不同空間信道間獨(dú)立的衰落特性,，區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。從而達(dá)到在相同的頻率資源內(nèi)獲取更高數(shù)據(jù)速率的目的,?？臻g復(fù)用與發(fā)射分集技術(shù)不同，它在不同天線上發(fā)射不同信息,。
空間復(fù)用技術(shù)是在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號,，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，此時的空口信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增大,，從而能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率(見圖3),。
使用空間復(fù)用技術(shù)時，接收端必須進(jìn)行復(fù)雜的解碼處理。業(yè)界主要的解碼算法有迫零算法(ZF),、MMSE算法,、最大似然解碼算法(MLD)和貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時處理算法(BLAST)。
迫零算法,，MMSE算法是線性算法,，比較容易實(shí)現(xiàn)，但對信道的信噪比要求較高,，性能不佳;MLD算法具有很好的譯碼性能,，但它的解碼復(fù)雜度隨著發(fā)射天線數(shù)量的增加呈指數(shù)增加，因此,，當(dāng)發(fā)射天線的數(shù)量很大時,，這種算法是不實(shí)用的;綜合前述算法優(yōu)點(diǎn)的BLAST算法是性能和復(fù)雜度最優(yōu)的。
BLAST算法是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的一種有效的空時處理算法,，目前已廣泛應(yīng)用于MIMO系統(tǒng)中,。BLAST算法分為D-BLAST算法和V-BLAST算法。
D-BLAST算法是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的G.J.Foschini于1996年提出的,。對于D-BLAST算法,，原始數(shù)據(jù)被分為若干子數(shù)據(jù)流，每個子流獨(dú)立進(jìn)行編碼,，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線,。D-BLAST的好處是每個子流的數(shù)據(jù)都可以通過不同的空間路徑到達(dá)接收端，從而提高了鏈路的可靠性,，但其復(fù)雜度太大,，難以實(shí)際使用。