MIMO系統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）系統已成為無線通信的研究熱點，使用多根天線能極大地提高頻譜效率和系統容量，系統容量伴隨著收發天線的較小者呈線性增長的趨勢。本文首先描述了MIMO系統的模型，然后對MIMO系統的信道模型種類進行討論，最后分析MIMO系統信道容量，充分證明了MIMO系統的優越性。

【關鍵詞】 MIMO 無線通信 信道容量

多入多出（MIMO）技術是在通信系統收發的兩端放多根天線的一種通信技術，成為近年來無線通信領域理論研究的一個重大的突破。該項技術能在不增加發射功率和系統帶寬的前提下大大地改善系統的性能、增加系統的容量、提高系統頻帶利用率，成為了新一代多數據類型、高數據率無線通信系統的關鍵技術。

一、MIMO系統模型

MIMO系統是在天線空時處理技術和分集技術的基礎上發展起來的，是發射端和接收端都使用天線陣列或多天線的通信系統。MIMO系統的結構如圖1所示。在發射端，對信號進行空時編碼，然后從多個天線通道使用同一頻段發射出去，經過無線信道的散射傳播，經過不同的路徑到達接收端，在接收端使用多個天線通道接收，然后進行空時譯碼。

二、MIMO系統的信道模型種類

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參數下，同時參考了天線的配置和物理電磁波的傳播特性來說明收發天線之間的信道沖激響應。在這種模型之下，信道的系數在時間和空間上是相關的隨機過程，然而這種相關性是通過計算來定義的。而物理模型主要用來描述收發天線之間電磁波的雙向多徑傳播特性。因為物理信道模型是和特定地理位置密切相關的，所以可以準確地描述電磁波的多徑分量、復振幅，到達角和離開角。同時物理模型獨立于天線的系統帶寬和具體的配置。

2.1 分析模型

分析模型主要通過數學分析的方法來描述收發天線間的信道沖激響應特性，而無需明確的電磁波傳播的特性。單個沖激響應只包括一個MIMO信道矩陣，該方法的優勢在于引入了信道矩陣，便于算法驗證以及算法研究。分析模型還可以細分為：基于相關法的模型和傳播驅動模型。基于相關法的模型特征為MIMO信道矩陣在統計上具有相關性，常用的基于相關法的信道模型有Weichselberger模型、獨立同分布i.i.d模型和Kronecker模型。傳播驅動模型則是通過傳播的參數獲得信道矩陣的，其中包括虛擬信道實現模型、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際環境的測量而建立起來的信道模型。其需要獲取詳細的信道環境信息，例如自然界的物體和建筑物的精確分布、位置和大小等等。物理模型實現的方法主要有非幾何的隨機信道模型、確定性的信道模型和基于幾何的隨機信道模型。非幾何的隨機模型根據統計參數描述了電磁波從發射端至接收端的傳播路徑，而不用考慮幾何的物理環境。確定性的模型基本思想則是若詳細的傳播環境的信息可以獲取，這樣的話，無線傳播就可以看作一個確定的過程；它能確定空間任何一點的各種空時特性。這類的信道模型主要用于小區的規劃。基于幾何隨機模型是根據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隨機產生的。

三、MIMO系統信道容量

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

根據信道統計特性，通常可將容量統計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應用及其前景

因為對MIMO所做的研究日益成熟，最近的許多研究成果表示MIMO技術具有較大的優勢，在3GPP和ITU 論壇中已經開始對MIMO進行標準化。將幾種技術和MIMO相結合，可進一步地改進系統的頻譜效率、通過量和性能，這激發了人們極大的興趣。

到目前看來，對于蜂窩系統，仍然沒有在商用的系統中采，用MIM0技術，除了MISO發分集（較為簡單）外，正在部署中的商用系統也沒有。Lucent貝爾實驗室在2002年12月研發成功了BIAST芯片，Iospan Wireless發明出了應用于固定的無線接入的Airburst系統。

對于3GPP，基于鏈路層的模擬，結合擴頻碼和VBLAST再用，已經擁有了一些MIMO技術方面的成果。吞吐量增益（MIMO所提供）是在理想的情況下所獲得的，并且對于信道的條件很敏感。MIMO增益的代價就是增加手機和基站的接收機的復雜度，不同因素，例如錯誤的高多普勒頻移、信道估計，天線的相關性等，都會對理想的系統性能造成影響。

五、總結

MIMO系統借助空間維度和散射環境，建立了多個并行的空間信道，在不需要增加發射功率和系統帶寬的情況下，利用無線信道多徑傳播，獲取分集增益與復用增益，從而明顯地提高無線鏈路的質量和容量。MIMO作為新一代的寬帶無線通信系統的框架技術，是實現充分地利用空間資源來提高頻譜利用率的一個必經途徑，具有巨大的發展前景。

參 考 文 獻

[1] 樊昌信等. 通信原理. 北京：國防工業出版社，1995，56-60

[2] 康桂華. 無線MIMO信道的模型容量估計和實現算法研究：[學位論文]. 杭州：浙江大學，2004

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

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

【關鍵詞】 MIMO 無線通信 信道容量

多入多出（MIMO）技術是在通信系統收發的兩端放多根天線的一種通信技術，成為近年來無線通信領域理論研究的一個重大的突破。該項技術能在不增加發射功率和系統帶寬的前提下大大地改善系統的性能、增加系統的容量、提高系統頻帶利用率，成為了新一代多數據類型、高數據率無線通信系統的關鍵技術。

一、MIMO系統模型

MIMO系統是在天線空時處理技術和分集技術的基礎上發展起來的，是發射端和接收端都使用天線陣列或多天線的通信系統。MIMO系統的結構如圖1所示。在發射端，對信號進行空時編碼，然后從多個天線通道使用同一頻段發射出去，經過無線信道的散射傳播，經過不同的路徑到達接收端，在接收端使用多個天線通道接收，然后進行空時譯碼。

二、MIMO系統的信道模型種類

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參數下，同時參考了天線的配置和物理電磁波的傳播特性來說明收發天線之間的信道沖激響應。在這種模型之下，信道的系數在時間和空間上是相關的隨機過程，然而這種相關性是通過計算來定義的。而物理模型主要用來描述收發天線之間電磁波的雙向多徑傳播特性。因為物理信道模型是和特定地理位置密切相關的，所以可以準確地描述電磁波的多徑分量、復振幅，到達角和離開角。同時物理模型獨立于天線的系統帶寬和具體的配置。

2.1 分析模型

分析模型主要通過數學分析的方法來描述收發天線間的信道沖激響應特性，而無需明確的電磁波傳播的特性。單個沖激響應只包括一個MIMO信道矩陣，該方法的優勢在于引入了信道矩陣，便于算法驗證以及算法研究。分析模型還可以細分為：基于相關法的模型和傳播驅動模型。基于相關法的模型特征為MIMO信道矩陣在統計上具有相關性，常用的基于相關法的信道模型有Weichselberger模型、獨立同分布i.i.d模型和Kronecker模型。傳播驅動模型則是通過傳播的參數獲得信道矩陣的，其中包括虛擬信道實現模型、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際環境的測量而建立起來的信道模型。其需要獲取詳細的信道環境信息，例如自然界的物體和建筑物的精確分布、位置和大小等等。物理模型實現的方法主要有非幾何的隨機信道模型、確定性的信道模型和基于幾何的隨機信道模型。非幾何的隨機模型根據統計參數描述了電磁波從發射端至接收端的傳播路徑，而不用考慮幾何的物理環境。確定性的模型基本思想則是若詳細的傳播環境的信息可以獲取，這樣的話，無線傳播就可以看作一個確定的過程；它能確定空間任何一點的各種空時特性。這類的信道模型主要用于小區的規劃。基于幾何隨機模型是根據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隨機產生的。

三、MIMO系統信道容量

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

根據信道統計特性，通常可將容量統計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應用及其前景

因為對MIMO所做的研究日益成熟，最近的許多研究成果表示MIMO技術具有較大的優勢，在3GPP和ITU 論壇中已經開始對MIMO進行標準化。將幾種技術和MIMO相結合，可進一步地改進系統的頻譜效率、通過量和性能，這激發了人們極大的興趣。

到目前看來，對于蜂窩系統，仍然沒有在商用的系統中采，用MIM0技術，除了MISO發分集（較為簡單）外，正在部署中的商用系統也沒有。Lucent貝爾實驗室在2002年12月研發成功了BIAST芯片，Iospan Wireless發明出了應用于固定的無線接入的Airburst系統。

對于3GPP，基于鏈路層的模擬，結合擴頻碼和VBLAST再用，已經擁有了一些MIMO技術方面的成果。吞吐量增益（MIMO所提供）是在理想的情況下所獲得的，并且對于信道的條件很敏感。MIMO增益的代價就是增加手機和基站的接收機的復雜度，不同因素，例如錯誤的高多普勒頻移、信道估計，天線的相關性等，都會對理想的系統性能造成影響。

五、總結

MIMO系統借助空間維度和散射環境，建立了多個并行的空間信道，在不需要增加發射功率和系統帶寬的情況下，利用無線信道多徑傳播，獲取分集增益與復用增益，從而明顯地提高無線鏈路的質量和容量。MIMO作為新一代的寬帶無線通信系統的框架技術，是實現充分地利用空間資源來提高頻譜利用率的一個必經途徑，具有巨大的發展前景。

參 考 文 獻

[1] 樊昌信等. 通信原理. 北京：國防工業出版社，1995，56-60

[2] 康桂華. 無線MIMO信道的模型容量估計和實現算法研究：[學位論文]. 杭州：浙江大學，2004

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

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

【關鍵詞】 MIMO 無線通信 信道容量

多入多出（MIMO）技術是在通信系統收發的兩端放多根天線的一種通信技術，成為近年來無線通信領域理論研究的一個重大的突破。該項技術能在不增加發射功率和系統帶寬的前提下大大地改善系統的性能、增加系統的容量、提高系統頻帶利用率，成為了新一代多數據類型、高數據率無線通信系統的關鍵技術。

一、MIMO系統模型

MIMO系統是在天線空時處理技術和分集技術的基礎上發展起來的，是發射端和接收端都使用天線陣列或多天線的通信系統。MIMO系統的結構如圖1所示。在發射端，對信號進行空時編碼，然后從多個天線通道使用同一頻段發射出去，經過無線信道的散射傳播，經過不同的路徑到達接收端，在接收端使用多個天線通道接收，然后進行空時譯碼。

二、MIMO系統的信道模型種類

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參數下，同時參考了天線的配置和物理電磁波的傳播特性來說明收發天線之間的信道沖激響應。在這種模型之下，信道的系數在時間和空間上是相關的隨機過程，然而這種相關性是通過計算來定義的。而物理模型主要用來描述收發天線之間電磁波的雙向多徑傳播特性。因為物理信道模型是和特定地理位置密切相關的，所以可以準確地描述電磁波的多徑分量、復振幅，到達角和離開角。同時物理模型獨立于天線的系統帶寬和具體的配置。

2.1 分析模型

分析模型主要通過數學分析的方法來描述收發天線間的信道沖激響應特性，而無需明確的電磁波傳播的特性。單個沖激響應只包括一個MIMO信道矩陣，該方法的優勢在于引入了信道矩陣，便于算法驗證以及算法研究。分析模型還可以細分為：基于相關法的模型和傳播驅動模型。基于相關法的模型特征為MIMO信道矩陣在統計上具有相關性，常用的基于相關法的信道模型有Weichselberger模型、獨立同分布i.i.d模型和Kronecker模型。傳播驅動模型則是通過傳播的參數獲得信道矩陣的，其中包括虛擬信道實現模型、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際環境的測量而建立起來的信道模型。其需要獲取詳細的信道環境信息，例如自然界的物體和建筑物的精確分布、位置和大小等等。物理模型實現的方法主要有非幾何的隨機信道模型、確定性的信道模型和基于幾何的隨機信道模型。非幾何的隨機模型根據統計參數描述了電磁波從發射端至接收端的傳播路徑，而不用考慮幾何的物理環境。確定性的模型基本思想則是若詳細的傳播環境的信息可以獲取，這樣的話，無線傳播就可以看作一個確定的過程；它能確定空間任何一點的各種空時特性。這類的信道模型主要用于小區的規劃。基于幾何隨機模型是根據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隨機產生的。

三、MIMO系統信道容量

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

根據信道統計特性，通常可將容量統計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應用及其前景

因為對MIMO所做的研究日益成熟，最近的許多研究成果表示MIMO技術具有較大的優勢，在3GPP和ITU 論壇中已經開始對MIMO進行標準化。將幾種技術和MIMO相結合，可進一步地改進系統的頻譜效率、通過量和性能，這激發了人們極大的興趣。

到目前看來，對于蜂窩系統，仍然沒有在商用的系統中采，用MIM0技術，除了MISO發分集（較為簡單）外，正在部署中的商用系統也沒有。Lucent貝爾實驗室在2002年12月研發成功了BIAST芯片，Iospan Wireless發明出了應用于固定的無線接入的Airburst系統。

對于3GPP，基于鏈路層的模擬，結合擴頻碼和VBLAST再用，已經擁有了一些MIMO技術方面的成果。吞吐量增益（MIMO所提供）是在理想的情況下所獲得的，并且對于信道的條件很敏感。MIMO增益的代價就是增加手機和基站的接收機的復雜度，不同因素，例如錯誤的高多普勒頻移、信道估計，天線的相關性等，都會對理想的系統性能造成影響。

五、總結

MIMO系統借助空間維度和散射環境，建立了多個并行的空間信道，在不需要增加發射功率和系統帶寬的情況下，利用無線信道多徑傳播，獲取分集增益與復用增益，從而明顯地提高無線鏈路的質量和容量。MIMO作為新一代的寬帶無線通信系統的框架技術，是實現充分地利用空間資源來提高頻譜利用率的一個必經途徑，具有巨大的發展前景。

參 考 文 獻

[1] 樊昌信等. 通信原理. 北京：國防工業出版社，1995，56-60

[2] 康桂華. 無線MIMO信道的模型容量估計和實現算法研究：[學位論文]. 杭州：浙江大學，2004

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