淺析MIMO技術的現狀與發展趨勢

劉嘉敏

（廣東南方職業學院，江門 529000）

1 引言

隨著無線互聯網通信技術的快速發展，對無線通信系統的信道容量和可靠性傳輸面臨著嚴峻的考驗，解決該問題的一個新途徑就是采用MIMO技術。MIMO技術結合空間分集和空時編碼技術，采用多天線技術進行信號傳輸，充分合理地利用空間資源，提高了系統的信道容量，并且具有更高的數據傳輸速率和更好的通信質量，因此受到越來越多的關注和研究。

2 MIMO的現狀與發展趨勢

2.1 無線信道建模

無線通信系統的性能主要是受移動無線信道的制約。在無線通信系統中，發射機和接收機之間的傳播路徑是非常復雜的，并且具有極度的時變隨機性，難以分析。無線信道傳播模型分為大尺度傳播模型和小尺度傳播模型。通過研究，已經建立了多種數學及實驗模型來分析無線信道對電信號所引起的衰落特性，如Okumura模型，Hata模型，COST系列模型等。在實際應用中，我們要遵循MIMO信道研究的規律、接收機的快速移動、環境物體的運動速度等因素來建立更準確的信道動態模型，比如在高速移動環境下對MIMO信道測量與建模、高鐵通信網的建設等等，然而至今ITU還沒有出臺較為全面的MIMO信道模型適用標準。即將到來的5G時代將采用大規模MIMO技術，關于大規模MIMO系統模型、理論性能，以及無線數據業務量的爆發性增長，將會推動著研究人員不斷發展適合未來的無線通信的新技術。

2.2 信道容量

信道容量表示通信系統的最大傳輸率。目前的研究主要是基于V-BLAST的MIMO系統在單位帶寬上的信道容量，數學表達式為：

其中，nT與nR分別是發射機的天線數與接收機的天線數；Im為min（nR，nT） 階單位矩陣 ；

搭建MATLAB仿真平臺為MIMO信道容量公式進行編程，仿真結果表明：當功率和帶寬恒定時，信道容量會隨著最小天線數增加而線性增加，即在不增加天線發射功率和帶寬的前提下，利用MIMO信道使得信道容量成倍地增加。如果在同等條件下，MIMO采用多天線或天線陣列的智能天線系統，其容量也會隨著天線數的對數增加而增加。未來的5G時代對信道容量的要求會更高，研究人員需要深入考慮到實際信道中的其他參量對大規模MIMO系統的影響，如用戶移動速度、天線相關性等，這些參數產生的影響還需要進一步研究。

2.3 信道狀態信息的獲取

為了能夠有效地提升通信系統性能，在數據發送前能夠獲取信道狀態信息（CSI）會對發送策略有指導作用，更能保證信息保質保量地傳輸。研究表明，使用奇異值分解可以把傳輸矩陣轉化成對角陣的形式，運用信道信息對發送信號進行“預處理”，將傳輸過程轉化成具有“平行子信道”的對角陣形式。在對角陣中獲取信道矩陣秩的信息（奇異值的個數），靈活地調整空間流，提高通信系統效率，還可以使用“注水算法”分配發送功率，提升系統容量。所謂的“注水算法”，就是調整發送功率，給條件好的子信道多分配一些功率，給條件差的子信道少分或不分配功率。LTE協議中的線性預編碼技術和802.11n中的波束成形技術，就是應用這個原理和思想。實際上，MIMO系統所有數據共享的頻率資源是相同的，這樣一來會導致分配給CSI獲取的資源有限，再加上上下行傳輸信道不存在互益性的頻分雙工（FDD）制式下，使得CSI獲取變得十分困難。研究人員已經圍繞著FDD模式下MIMO系統的信道狀態信息獲取及反饋問題展開了研究與實驗驗證，相信不久的將來會得到應用。

2.4 與傳播相關的研究方向

我們一般認為多徑會導致衰落這一現象是有害的，為了對抗寬帶無線信道頻率選擇性衰落，大幅度地提高無線通信系統的吞吐量，國際上認可的方法之一是將MIMO技術與一些有效的寬帶無線傳輸技術結合，如目前應用最廣泛的MIMO-OFDM技術。OFDM是一種采用多載波調制的頻分復用技術，具有提高了多徑衰落和脈沖干擾的能力，但無法提高頻譜利用率。MIMO無線通信系統能夠高效提高無線信道容量，顯著提高頻譜利用率，傳輸過程中可以提高空間復用增益和空間分集增益，采用多天線多入多出的模式還會對信道衰落有抑制作用。因此，采用MIMO-OFDM結合技術可以最大程度地發揮彼此優點，但有研究表明MIMO-OFDM技術存在信道衰落和多普勒效應等問題，所以MIMO-OFDM系統的發展還需要更多的參與和研究。

3 結束語

無線通信技術快速發展的今天，MIMO技術使用的天線數量會不斷地增加，以致于算法的復雜性和實現的復雜性也會增大，非常不利于MIMO技術發揮優勢。因此，新技術的發展和應用仍然需要我們長期不懈的探討和研究。