MIMO系統(tǒng)和無線信道容量研究

余來妹

【摘要】 近年來，多輸入多輸出（MIMO：multiple input multiple output）系統(tǒng)已成為無線通信的研究熱點(diǎn)，使用多根天線能極大地提高頻譜效率和系統(tǒng)容量，系統(tǒng)容量伴隨著收發(fā)天線的較小者呈線性增長的趨勢(shì)。本文首先描述了MIMO系統(tǒng)的模型，然后對(duì)MIMO系統(tǒng)的信道模型種類進(jìn)行討論，最后分析MIMO系統(tǒng)信道容量，充分證明了MIMO系統(tǒng)的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】 MIMO 無線通信 信道容量

多入多出（MIMO）技術(shù)是在通信系統(tǒng)收發(fā)的兩端放多根天線的一種通信技術(shù)，成為近年來無線通信領(lǐng)域理論研究的一個(gè)重大的突破。該項(xiàng)技術(shù)能在不增加發(fā)射功率和系統(tǒng)帶寬的前提下大大地改善系統(tǒng)的性能、增加系統(tǒng)的容量、提高系統(tǒng)頻帶利用率，成為了新一代多數(shù)據(jù)類型、高數(shù)據(jù)率無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

一、MIMO系統(tǒng)模型

MIMO系統(tǒng)是在天線空時(shí)處理技術(shù)和分集技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是發(fā)射端和接收端都使用天線陣列或多天線的通信系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在發(fā)射端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼，然后從多個(gè)天線通道使用同一頻段發(fā)射出去，經(jīng)過無線信道的散射傳播，經(jīng)過不同的路徑到達(dá)接收端，在接收端使用多個(gè)天線通道接收，然后進(jìn)行空時(shí)譯碼。

二、MIMO系統(tǒng)的信道模型種類

通?？梢詫⑿诺澜７椒ǚ殖蓛纱箢?，分別是分析模型和物理模型。分析模型是在一定的天線和系統(tǒng)參數(shù)下，同時(shí)參考了天線的配置和物理電磁波的傳播特性來說明收發(fā)天線之間的信道沖激響應(yīng)。在這種模型之下，信道的系數(shù)在時(shí)間和空間上是相關(guān)的隨機(jī)過程，然而這種相關(guān)性是通過計(jì)算來定義的。而物理模型主要用來描述收發(fā)天線之間電磁波的雙向多徑傳播特性。因?yàn)槲锢硇诺滥Ｐ褪呛吞囟ǖ乩砦恢妹芮邢嚓P(guān)的，所以可以準(zhǔn)確地描述電磁波的多徑分量、復(fù)振幅，到達(dá)角和離開角。同時(shí)物理模型獨(dú)立于天線的系統(tǒng)帶寬和具體的配置。

2.1 分析模型

分析模型主要通過數(shù)學(xué)分析的方法來描述收發(fā)天線間的信道沖激響應(yīng)特性，而無需明確的電磁波傳播的特性。單個(gè)沖激響應(yīng)只包括一個(gè)MIMO信道矩陣，該方法的優(yōu)勢(shì)在于引入了信道矩陣，便于算法驗(yàn)證以及算法研究。分析模型還可以細(xì)分為：基于相關(guān)法的模型和傳播驅(qū)動(dòng)模型?；谙嚓P(guān)法的模型特征為MIMO信道矩陣在統(tǒng)計(jì)上具有相關(guān)性，常用的基于相關(guān)法的信道模型有Weichselberger模型、獨(dú)立同分布i.i.d模型和Kronecker模型。傳播驅(qū)動(dòng)模型則是通過傳播的參數(shù)獲得信道矩陣的，其中包括虛擬信道實(shí)現(xiàn)模型、有限散射體模型和最大熵模型。

2.2 物理模型

物理模型主要基于實(shí)際環(huán)境的測(cè)量而建立起來的信道模型。其需要獲取詳細(xì)的信道環(huán)境信息，例如自然界的物體和建筑物的精確分布、位置和大小等等。物理模型實(shí)現(xiàn)的方法主要有非幾何的隨機(jī)信道模型、確定性的信道模型和基于幾何的隨機(jī)信道模型。非幾何的隨機(jī)模型根據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)描述了電磁波從發(fā)射端至接收端的傳播路徑，而不用考慮幾何的物理環(huán)境。確定性的模型基本思想則是若詳細(xì)的傳播環(huán)境的信息可以獲取，這樣的話，無線傳播就可以看作一個(gè)確定的過程；它能確定空間任何一點(diǎn)的各種空時(shí)特性。這類的信道模型主要用于小區(qū)的規(guī)劃。基于幾何隨機(jī)模型是根據(jù)散射體的具體位置而決定的，然而散射體具體的位置是由特定的概率分布函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生的。

三、MIMO系統(tǒng)信道容量

3.1 信道容量的定義和含義

3.2 MlM0信道容量的一般性推導(dǎo)

根據(jù)信道統(tǒng)計(jì)特性，通?？蓪⑷萘拷y(tǒng)計(jì)特性分為中斷容量和遍歷容量。

3.2.1 中斷容量

3.2.2 遍歷容量

四、MIMO應(yīng)用及其前景

因?yàn)閷?duì)MIMO所做的研究日益成熟，最近的許多研究成果表示MIMO技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì)，在3GPP和ITU 論壇中已經(jīng)開始對(duì)MIMO進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。將幾種技術(shù)和MIMO相結(jié)合，可進(jìn)一步地改進(jìn)系統(tǒng)的頻譜效率、通過量和性能，這激發(fā)了人們極大的興趣。

到目前看來，對(duì)于蜂窩系統(tǒng)，仍然沒有在商用的系統(tǒng)中采，用MIM0技術(shù)，除了MISO發(fā)分集（較為簡單）外，正在部署中的商用系統(tǒng)也沒有。Lucent貝爾實(shí)驗(yàn)室在2002年12月研發(fā)成功了BIAST芯片，Iospan Wireless發(fā)明出了應(yīng)用于固定的無線接入的Airburst系統(tǒng)。

對(duì)于3GPP，基于鏈路層的模擬，結(jié)合擴(kuò)頻碼和VBLAST再用，已經(jīng)擁有了一些MIMO技術(shù)方面的成果。吞吐量增益（MIMO所提供）是在理想的情況下所獲得的，并且對(duì)于信道的條件很敏感。MIMO增益的代價(jià)就是增加手機(jī)和基站的接收機(jī)的復(fù)雜度，不同因素，例如錯(cuò)誤的高多普勒頻移、信道估計(jì)，天線的相關(guān)性等，都會(huì)對(duì)理想的系統(tǒng)性能造成影響。

五、總結(jié)

MIMO系統(tǒng)借助空間維度和散射環(huán)境，建立了多個(gè)并行的空間信道，在不需要增加發(fā)射功率和系統(tǒng)帶寬的情況下，利用無線信道多徑傳播，獲取分集增益與復(fù)用增益，從而明顯地提高無線鏈路的質(zhì)量和容量。MIMO作為新一代的寬帶無線通信系統(tǒng)的框架技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)充分地利用空間資源來提高頻譜利用率的一個(gè)必經(jīng)途徑，具有巨大的發(fā)展前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 樊昌信等. 通信原理. 北京：國防工業(yè)出版社，1995，56-60

[2] 康桂華. 無線MIMO信道的模型容量估計(jì)和實(shí)現(xiàn)算法研究：[學(xué)位論文]. 杭州：浙江大學(xué)，2004

[3] 羅濤等. 多天線無線通信原理與應(yīng)用. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005，129-136endprint

【摘要】 近年來，多輸入多輸出（MIMO：multiple input multiple output）系統(tǒng)已成為無線通信的研究熱點(diǎn)，使用多根天線能極大地提高頻譜效率和系統(tǒng)容量，系統(tǒng)容量伴隨著收發(fā)天線的較小者呈線性增長的趨勢(shì)。本文首先描述了MIMO系統(tǒng)的模型，然后對(duì)MIMO系統(tǒng)的信道模型種類進(jìn)行討論，最后分析MIMO系統(tǒng)信道容量，充分證明了MIMO系統(tǒng)的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】 MIMO 無線通信 信道容量

多入多出（MIMO）技術(shù)是在通信系統(tǒng)收發(fā)的兩端放多根天線的一種通信技術(shù)，成為近年來無線通信領(lǐng)域理論研究的一個(gè)重大的突破。該項(xiàng)技術(shù)能在不增加發(fā)射功率和系統(tǒng)帶寬的前提下大大地改善系統(tǒng)的性能、增加系統(tǒng)的容量、提高系統(tǒng)頻帶利用率，成為了新一代多數(shù)據(jù)類型、高數(shù)據(jù)率無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

一、MIMO系統(tǒng)模型

MIMO系統(tǒng)是在天線空時(shí)處理技術(shù)和分集技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是發(fā)射端和接收端都使用天線陣列或多天線的通信系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在發(fā)射端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼，然后從多個(gè)天線通道使用同一頻段發(fā)射出去，經(jīng)過無線信道的散射傳播，經(jīng)過不同的路徑到達(dá)接收端，在接收端使用多個(gè)天線通道接收，然后進(jìn)行空時(shí)譯碼。

二、MIMO系統(tǒng)的信道模型種類

通?？梢詫⑿诺澜７椒ǚ殖蓛纱箢?，分別是分析模型和物理模型。分析模型是在一定的天線和系統(tǒng)參數(shù)下，同時(shí)參考了天線的配置和物理電磁波的傳播特性來說明收發(fā)天線之間的信道沖激響應(yīng)。在這種模型之下，信道的系數(shù)在時(shí)間和空間上是相關(guān)的隨機(jī)過程，然而這種相關(guān)性是通過計(jì)算來定義的。而物理模型主要用來描述收發(fā)天線之間電磁波的雙向多徑傳播特性。因?yàn)槲锢硇诺滥Ｐ褪呛吞囟ǖ乩砦恢妹芮邢嚓P(guān)的，所以可以準(zhǔn)確地描述電磁波的多徑分量、復(fù)振幅，到達(dá)角和離開角。同時(shí)物理模型獨(dú)立于天線的系統(tǒng)帶寬和具體的配置。

2.1 分析模型

分析模型主要通過數(shù)學(xué)分析的方法來描述收發(fā)天線間的信道沖激響應(yīng)特性，而無需明確的電磁波傳播的特性。單個(gè)沖激響應(yīng)只包括一個(gè)MIMO信道矩陣，該方法的優(yōu)勢(shì)在于引入了信道矩陣，便于算法驗(yàn)證以及算法研究。分析模型還可以細(xì)分為：基于相關(guān)法的模型和傳播驅(qū)動(dòng)模型?；谙嚓P(guān)法的模型特征為MIMO信道矩陣在統(tǒng)計(jì)上具有相關(guān)性，常用的基于相關(guān)法的信道模型有Weichselberger模型、獨(dú)立同分布i.i.d模型和Kronecker模型。傳播驅(qū)動(dòng)模型則是通過傳播的參數(shù)獲得信道矩陣的，其中包括虛擬信道實(shí)現(xiàn)模型、有限散射體模型和最大熵模型。

2.2 物理模型

物理模型主要基于實(shí)際環(huán)境的測(cè)量而建立起來的信道模型。其需要獲取詳細(xì)的信道環(huán)境信息，例如自然界的物體和建筑物的精確分布、位置和大小等等。物理模型實(shí)現(xiàn)的方法主要有非幾何的隨機(jī)信道模型、確定性的信道模型和基于幾何的隨機(jī)信道模型。非幾何的隨機(jī)模型根據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)描述了電磁波從發(fā)射端至接收端的傳播路徑，而不用考慮幾何的物理環(huán)境。確定性的模型基本思想則是若詳細(xì)的傳播環(huán)境的信息可以獲取，這樣的話，無線傳播就可以看作一個(gè)確定的過程；它能確定空間任何一點(diǎn)的各種空時(shí)特性。這類的信道模型主要用于小區(qū)的規(guī)劃?；趲缀坞S機(jī)模型是根據(jù)散射體的具體位置而決定的，然而散射體具體的位置是由特定的概率分布函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生的。

三、MIMO系統(tǒng)信道容量

3.1 信道容量的定義和含義

3.2 MlM0信道容量的一般性推導(dǎo)

根據(jù)信道統(tǒng)計(jì)特性，通常可將容量統(tǒng)計(jì)特性分為中斷容量和遍歷容量。

3.2.1 中斷容量

3.2.2 遍歷容量

四、MIMO應(yīng)用及其前景

因?yàn)閷?duì)MIMO所做的研究日益成熟，最近的許多研究成果表示MIMO技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì)，在3GPP和ITU 論壇中已經(jīng)開始對(duì)MIMO進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。將幾種技術(shù)和MIMO相結(jié)合，可進(jìn)一步地改進(jìn)系統(tǒng)的頻譜效率、通過量和性能，這激發(fā)了人們極大的興趣。

到目前看來，對(duì)于蜂窩系統(tǒng)，仍然沒有在商用的系統(tǒng)中采，用MIM0技術(shù)，除了MISO發(fā)分集（較為簡單）外，正在部署中的商用系統(tǒng)也沒有。Lucent貝爾實(shí)驗(yàn)室在2002年12月研發(fā)成功了BIAST芯片，Iospan Wireless發(fā)明出了應(yīng)用于固定的無線接入的Airburst系統(tǒng)。

對(duì)于3GPP，基于鏈路層的模擬，結(jié)合擴(kuò)頻碼和VBLAST再用，已經(jīng)擁有了一些MIMO技術(shù)方面的成果。吞吐量增益（MIMO所提供）是在理想的情況下所獲得的，并且對(duì)于信道的條件很敏感。MIMO增益的代價(jià)就是增加手機(jī)和基站的接收機(jī)的復(fù)雜度，不同因素，例如錯(cuò)誤的高多普勒頻移、信道估計(jì)，天線的相關(guān)性等，都會(huì)對(duì)理想的系統(tǒng)性能造成影響。

五、總結(jié)

MIMO系統(tǒng)借助空間維度和散射環(huán)境，建立了多個(gè)并行的空間信道，在不需要增加發(fā)射功率和系統(tǒng)帶寬的情況下，利用無線信道多徑傳播，獲取分集增益與復(fù)用增益，從而明顯地提高無線鏈路的質(zhì)量和容量。MIMO作為新一代的寬帶無線通信系統(tǒng)的框架技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)充分地利用空間資源來提高頻譜利用率的一個(gè)必經(jīng)途徑，具有巨大的發(fā)展前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 樊昌信等. 通信原理. 北京：國防工業(yè)出版社，1995，56-60

[2] 康桂華. 無線MIMO信道的模型容量估計(jì)和實(shí)現(xiàn)算法研究：[學(xué)位論文]. 杭州：浙江大學(xué)，2004

[3] 羅濤等. 多天線無線通信原理與應(yīng)用. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005，129-136endprint

【摘要】 近年來，多輸入多輸出（MIMO：multiple input multiple output）系統(tǒng)已成為無線通信的研究熱點(diǎn)，使用多根天線能極大地提高頻譜效率和系統(tǒng)容量，系統(tǒng)容量伴隨著收發(fā)天線的較小者呈線性增長的趨勢(shì)。本文首先描述了MIMO系統(tǒng)的模型，然后對(duì)MIMO系統(tǒng)的信道模型種類進(jìn)行討論，最后分析MIMO系統(tǒng)信道容量，充分證明了MIMO系統(tǒng)的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】 MIMO 無線通信 信道容量

多入多出（MIMO）技術(shù)是在通信系統(tǒng)收發(fā)的兩端放多根天線的一種通信技術(shù)，成為近年來無線通信領(lǐng)域理論研究的一個(gè)重大的突破。該項(xiàng)技術(shù)能在不增加發(fā)射功率和系統(tǒng)帶寬的前提下大大地改善系統(tǒng)的性能、增加系統(tǒng)的容量、提高系統(tǒng)頻帶利用率，成為了新一代多數(shù)據(jù)類型、高數(shù)據(jù)率無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

一、MIMO系統(tǒng)模型

MIMO系統(tǒng)是在天線空時(shí)處理技術(shù)和分集技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是發(fā)射端和接收端都使用天線陣列或多天線的通信系統(tǒng)。MIMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在發(fā)射端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼，然后從多個(gè)天線通道使用同一頻段發(fā)射出去，經(jīng)過無線信道的散射傳播，經(jīng)過不同的路徑到達(dá)接收端，在接收端使用多個(gè)天線通道接收，然后進(jìn)行空時(shí)譯碼。

二、MIMO系統(tǒng)的信道模型種類

通常可以將信道建模方法分成兩大類，分別是分析模型和物理模型。分析模型是在一定的天線和系統(tǒng)參數(shù)下，同時(shí)參考了天線的配置和物理電磁波的傳播特性來說明收發(fā)天線之間的信道沖激響應(yīng)。在這種模型之下，信道的系數(shù)在時(shí)間和空間上是相關(guān)的隨機(jī)過程，然而這種相關(guān)性是通過計(jì)算來定義的。而物理模型主要用來描述收發(fā)天線之間電磁波的雙向多徑傳播特性。因?yàn)槲锢硇诺滥Ｐ褪呛吞囟ǖ乩砦恢妹芮邢嚓P(guān)的，所以可以準(zhǔn)確地描述電磁波的多徑分量、復(fù)振幅，到達(dá)角和離開角。同時(shí)物理模型獨(dú)立于天線的系統(tǒng)帶寬和具體的配置。

2.1 分析模型

分析模型主要通過數(shù)學(xué)分析的方法來描述收發(fā)天線間的信道沖激響應(yīng)特性，而無需明確的電磁波傳播的特性。單個(gè)沖激響應(yīng)只包括一個(gè)MIMO信道矩陣，該方法的優(yōu)勢(shì)在于引入了信道矩陣，便于算法驗(yàn)證以及算法研究。分析模型還可以細(xì)分為：基于相關(guān)法的模型和傳播驅(qū)動(dòng)模型?；谙嚓P(guān)法的模型特征為MIMO信道矩陣在統(tǒng)計(jì)上具有相關(guān)性，常用的基于相關(guān)法的信道模型有Weichselberger模型、獨(dú)立同分布i.i.d模型和Kronecker模型。傳播驅(qū)動(dòng)模型則是通過傳播的參數(shù)獲得信道矩陣的，其中包括虛擬信道實(shí)現(xiàn)模型、有限散射體模型和最大熵模型。

2.2 物理模型

物理模型主要基于實(shí)際環(huán)境的測(cè)量而建立起來的信道模型。其需要獲取詳細(xì)的信道環(huán)境信息，例如自然界的物體和建筑物的精確分布、位置和大小等等。物理模型實(shí)現(xiàn)的方法主要有非幾何的隨機(jī)信道模型、確定性的信道模型和基于幾何的隨機(jī)信道模型。非幾何的隨機(jī)模型根據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)描述了電磁波從發(fā)射端至接收端的傳播路徑，而不用考慮幾何的物理環(huán)境。確定性的模型基本思想則是若詳細(xì)的傳播環(huán)境的信息可以獲取，這樣的話，無線傳播就可以看作一個(gè)確定的過程；它能確定空間任何一點(diǎn)的各種空時(shí)特性。這類的信道模型主要用于小區(qū)的規(guī)劃?；趲缀坞S機(jī)模型是根據(jù)散射體的具體位置而決定的，然而散射體具體的位置是由特定的概率分布函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生的。

三、MIMO系統(tǒng)信道容量

3.1 信道容量的定義和含義

3.2 MlM0信道容量的一般性推導(dǎo)

根據(jù)信道統(tǒng)計(jì)特性，通?？蓪⑷萘拷y(tǒng)計(jì)特性分為中斷容量和遍歷容量。

3.2.1 中斷容量

3.2.2 遍歷容量

四、MIMO應(yīng)用及其前景

因?yàn)閷?duì)MIMO所做的研究日益成熟，最近的許多研究成果表示MIMO技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì)，在3GPP和ITU 論壇中已經(jīng)開始對(duì)MIMO進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。將幾種技術(shù)和MIMO相結(jié)合，可進(jìn)一步地改進(jìn)系統(tǒng)的頻譜效率、通過量和性能，這激發(fā)了人們極大的興趣。

到目前看來，對(duì)于蜂窩系統(tǒng)，仍然沒有在商用的系統(tǒng)中采，用MIM0技術(shù)，除了MISO發(fā)分集（較為簡單）外，正在部署中的商用系統(tǒng)也沒有。Lucent貝爾實(shí)驗(yàn)室在2002年12月研發(fā)成功了BIAST芯片，Iospan Wireless發(fā)明出了應(yīng)用于固定的無線接入的Airburst系統(tǒng)。

對(duì)于3GPP，基于鏈路層的模擬，結(jié)合擴(kuò)頻碼和VBLAST再用，已經(jīng)擁有了一些MIMO技術(shù)方面的成果。吞吐量增益（MIMO所提供）是在理想的情況下所獲得的，并且對(duì)于信道的條件很敏感。MIMO增益的代價(jià)就是增加手機(jī)和基站的接收機(jī)的復(fù)雜度，不同因素，例如錯(cuò)誤的高多普勒頻移、信道估計(jì)，天線的相關(guān)性等，都會(huì)對(duì)理想的系統(tǒng)性能造成影響。

五、總結(jié)

MIMO系統(tǒng)借助空間維度和散射環(huán)境，建立了多個(gè)并行的空間信道，在不需要增加發(fā)射功率和系統(tǒng)帶寬的情況下，利用無線信道多徑傳播，獲取分集增益與復(fù)用增益，從而明顯地提高無線鏈路的質(zhì)量和容量。MIMO作為新一代的寬帶無線通信系統(tǒng)的框架技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)充分地利用空間資源來提高頻譜利用率的一個(gè)必經(jīng)途徑，具有巨大的發(fā)展前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 樊昌信等. 通信原理. 北京：國防工業(yè)出版社，1995，56-60

[2] 康桂華. 無線MIMO信道的模型容量估計(jì)和實(shí)現(xiàn)算法研究：[學(xué)位論文]. 杭州：浙江大學(xué)，2004

[3] 羅濤等. 多天線無線通信原理與應(yīng)用. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005，129-136endprint