無線通信工程中的MIMO 系統(tǒng)應(yīng)用與性能分析

馬遠航

（日海恒聯(lián)通信技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

隨著移動通信業(yè)務(wù)的快速增長，用戶對高速率和高可靠性的無線傳輸需求日益增加。多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)作為一種先進的無線通信技術(shù)，能夠顯著提升系統(tǒng)容量和傳輸可靠性，受到廣泛關(guān)注。文章綜合分析MIMO 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在無線通信工程中的應(yīng)用，為MIMO 系統(tǒng)的工程實現(xiàn)提供理論支持。

1 MIMO 系統(tǒng)基礎(chǔ)理論分析

MIMO 系統(tǒng)能夠在保持系統(tǒng)帶寬和傳輸功率不變的情況下，提升通信系統(tǒng)的容量和可靠性。從信息論的核心觀點來看，MIMO 系統(tǒng)所獲得的容量增益主要體現(xiàn)在空間復(fù)用增益和陣列增益2 個方面。空間復(fù)用增益源于MIMO 系統(tǒng)能夠同時開啟多個獨立的空間信道進行并行數(shù)據(jù)傳輸。與傳統(tǒng)的單輸入單輸出（Single Input Single Output，SISO）系統(tǒng)相比，MIMO 系統(tǒng)的容量隨著天線數(shù)量的增加而增大，呈現(xiàn)出近似線性的比例關(guān)系，極大地提高了頻譜效率[1]。陣列增益指MIMO 系統(tǒng)通過多天線結(jié)構(gòu)有效集中傳播時的信號能量，并降低噪聲影響，從而提升接收端的整體信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）。

在工程實踐上，MIMO 系統(tǒng)廣泛應(yīng)用空時編碼和空分復(fù)用等關(guān)鍵技術(shù)，將待傳輸?shù)男畔⒎栔悄苡成涞礁鱾€天線上并發(fā)射，在接收端則借助最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）均衡器等先進算法，有效解開疊加在一起的空間信道，精確還原傳輸數(shù)據(jù)。為了在高速數(shù)據(jù)傳輸中保證其有效性，MIMO 系統(tǒng)必須精確地估算并追蹤頻域和時域中的信道狀態(tài)信息。這意味著該系統(tǒng)需實時更新并調(diào)整均衡參數(shù)，從而在各種復(fù)雜的信道環(huán)境中進行有效的補償處理，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和速度。

總而言之，MIMO 系統(tǒng)通過深度開發(fā)和利用空間維度資源，擴大了通信系統(tǒng)容量，提升了通信系統(tǒng)可靠性，成為現(xiàn)代無線通信技術(shù)進步的重要支撐力之一。

2 無線通信工程中的MIMO 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 空間復(fù)用

文章采用Bell 實驗室提出的向量偏轉(zhuǎn)傳輸技術(shù)，實現(xiàn)MIMO 系統(tǒng)的空間復(fù)用，從而獲得多徑增益[2]。該技術(shù)將發(fā)射機的Nt個天線看作一個發(fā)射向量空間，將接收機的Nr個天線看作一個接收向量空間，通過在發(fā)射向量空間內(nèi)選擇Nt個正交基矢量，并根據(jù)信道狀態(tài)矩陣H的奇異值進行分解，得到發(fā)射端和接收端的預(yù)編碼矩陣V和U。經(jīng)過預(yù)編碼矩陣V變換后的發(fā)射信號將映射到接收向量空間內(nèi)Nr個正交的空間信道上，可以承載Nt個不同的數(shù)據(jù)流且不發(fā)生干擾。

在實現(xiàn)上，發(fā)射機預(yù)編碼來自Nt個不同數(shù)據(jù)源的符號流，經(jīng)過Nt個天線同時發(fā)射，共用系統(tǒng)的時頻資源。接收機判決統(tǒng)計接收到的Nr維信號，通過矩陣U的逆變換得到不同空間信道上傳輸?shù)姆枴Ｔ?×4 MIMO 系統(tǒng)中，當(dāng)SNR 為15 dB 時，采用向量偏轉(zhuǎn)技術(shù)可以獲得約為13 （b/s）/Hz 的容量增益。如果僅采用傳統(tǒng)的時分復(fù)用技術(shù)或頻分復(fù)用技術(shù)，容量增益不超過7 （b/s）/Hz。隨著發(fā)射接收天線數(shù)量的增加，空間復(fù)用帶來的容量增益將更加顯著。因此，向量偏轉(zhuǎn)多址訪問技術(shù)是實現(xiàn)MIMO 空間復(fù)用的關(guān)鍵。

2.2 信道編碼與交織

為提高MIMO 系統(tǒng)的可靠性，本設(shè)計采用低密度奇偶校驗（Low Density Parity Check，LDPC）編碼聯(lián)合時頻二維交織技術(shù)。LDPC 編碼作為一種先進的正交碼，通過在碼字中引入冗余校驗比特，可以有效檢測和糾正傳輸誤差。例如，對于碼長為8 192 bits、碼率為1/2 的LDPC 碼，增加的校驗比特數(shù)目等于信息比特數(shù)目，可檢測多個比特錯誤。編碼后的碼字進行時域和頻域二維交織，以抵抗復(fù)雜無線信道衰落的影響。通過時域交織，可防止時變衰落導(dǎo)致的碼字損壞。而通過頻域交織，將碼字均勻分配到各個子載波，降低頻率選擇性衰落的影響。塊交織可隨機打散碼字，避免信道的脈沖失真。信道編碼與交織技術(shù)的聯(lián)合使用可在一定程度上降低無線信道的不確定性，提升MIMO 系統(tǒng)的抗衰落能力與可靠性[3]。仿真結(jié)果表明，該方案可使數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率滿足小于等于1×10-5的嚴格要求。

2.3 信道估計與均衡

為跟蹤MIMO 系統(tǒng)中多個發(fā)射與接收天線對之間的快速時變信道，需要進行準確可靠的信道估計。本設(shè)計采用基于訓(xùn)練序列的MMSE 估計方法。在數(shù)據(jù)傳輸之前，發(fā)送已知的訓(xùn)練序列，接收端獲得經(jīng)信道沖激響應(yīng)的序列。設(shè)信道矩陣為H，訓(xùn)練序列為X，接收序列為Y，則

式中：N為噪聲。

為提高估計準確性，訓(xùn)練序列之間采用循環(huán)移位設(shè)計，接收端收集多個傳輸塊的訓(xùn)練序列進行聯(lián)合信道估計。根據(jù)估計的信道狀態(tài)矩陣，采用零強制均衡算法計算均衡矩陣W，消除信道的影響，使得經(jīng)過均衡后的接收信號能夠更準確地反映原始發(fā)送信號。

經(jīng)過均衡后的接收信號可表示為

信道估計與均衡的聯(lián)合實現(xiàn)可準確獲得MIMO系統(tǒng)中各天線對之間的傳輸函數(shù)，從而進行有效的空間復(fù)用與檢測。仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計的信道估計算法使系統(tǒng)的均方誤差降低了8 dB 以上，有效提升了系統(tǒng)性能。

2.4 波束賦形與預(yù)編碼

波束賦形與預(yù)編碼是MIMO 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過對多天線陣列的精確控制，實現(xiàn)定向信號傳輸，提升系統(tǒng)的傳輸效率與可靠性。波束賦形技術(shù)利用天線陣元的空間分布特性，通過調(diào)整各陣元的激勵幅度和相位，使得綜合輻射場在期望方向上疊加增強，而在其他方向相互抵消，從而形成高度集中的定向波束。該技術(shù)可以有效降低系統(tǒng)的干擾水平，提高信號的覆蓋質(zhì)量，延長傳輸距離。在實際應(yīng)用中，波束賦形需要綜合考慮天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)、陣元間距、電磁耦合等因素，通過優(yōu)化設(shè)計和精確控制，實現(xiàn)波束方向圖的靈活調(diào)控。同時，預(yù)編碼技術(shù)則在發(fā)射端對數(shù)據(jù)符號進行線性變換，使之與信道特征相匹配，以減小信道的負面影響。令發(fā)射符號矢量為x，預(yù)編碼矩陣為P，則預(yù)編碼過程可表示為

式中：為預(yù)編碼后的發(fā)射信號。通過合理設(shè)計預(yù)編碼矩陣P，可以在發(fā)射端實現(xiàn)最優(yōu)的功率分配和信號調(diào)制，從而最大化MIMO 系統(tǒng)的信道容量和頻譜效率。預(yù)編碼矩陣的設(shè)計需要綜合考慮信道狀態(tài)信息、發(fā)射功率約束、復(fù)雜度限制等多方面因素，采用凸優(yōu)化、迭代搜索等數(shù)學(xué)工具，求解最優(yōu)的預(yù)編碼權(quán)值。

波束賦形與預(yù)編碼的巧妙結(jié)合能夠充分發(fā)揮MIMO 技術(shù)的優(yōu)勢，在復(fù)雜多變的無線傳播環(huán)境中穩(wěn)健地提供高速、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。例如，在多小區(qū)協(xié)作傳輸場景下，通過聯(lián)合優(yōu)化各基站的波束賦形和預(yù)編碼策略，可以顯著削弱小區(qū)間干擾，提升系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。此外，在大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)中，采用預(yù)編碼技術(shù)可以有效降低信道估計開銷和計算復(fù)雜度，實現(xiàn)低成本、高效率的傳輸方案。總而言之，波束賦形與預(yù)編碼技術(shù)的研究與應(yīng)用，極大地促進了無線通信系統(tǒng)的性能提升和應(yīng)用拓展，是實現(xiàn)未來高速、大容量、泛在化無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要支撐。

3 仿真實驗

為驗證所設(shè)計的MIMO 系統(tǒng)的效能，需要搭建一個完整的系統(tǒng)仿真平臺，并制定一套詳盡周密的測試方案。該仿真平臺依托MATLAB 軟件環(huán)境構(gòu)建，包括MIMO 系統(tǒng)的發(fā)射端處理模塊、模擬真實多徑衰落信道模塊以及接收端處理模塊。在發(fā)射端，原始二進制數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制映射、空時編碼、信道編碼以及正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）調(diào)制等，能夠在復(fù)雜的無線環(huán)境中高效傳輸。信道模擬模塊采用國際公認的COST207典型城市傳播模型，通過配置多徑延遲擴展參數(shù)，再現(xiàn)了無線通信信道中普遍存在的時變衰落現(xiàn)象，提供了一個貼近實際應(yīng)用場景的仿真環(huán)境。在接收端，系統(tǒng)首先通過信道估計來捕捉信道特征，其次通過均衡處理抵消多徑干擾，再次進行信號檢測和解碼等一系列復(fù)雜操作，最后還原出原始傳輸數(shù)據(jù)，以此完整模擬并驗證MIMO 系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。

在該仿真平臺上，進行8×8 MIMO 系統(tǒng)的性能測試[4]。信道帶寬為20 MHz，子載波數(shù)量為1 200 個，調(diào)制方式為64 QAM。通過設(shè)置不同的發(fā)射功率得到不同的SNR，預(yù)測MIMO 系統(tǒng)的理論容量上限。

在設(shè)定恒定信道條件（即移動設(shè)備的速度維持在3 km/h）的基礎(chǔ)上，逐步調(diào)整發(fā)射端功率，從而得到不同SNR 下系統(tǒng)的性能變化。系統(tǒng)吞吐量與SNR的關(guān)系如表1 所示。

表1 SNR 與系統(tǒng)吞吐量

仿真結(jié)果顯示，隨著系統(tǒng)SNR 的不斷增大，MIMO 系統(tǒng)的總吞吐量呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢，并逐漸接近理論上的性能極限[5]。具體而言，當(dāng)SNR 為10 dB 時，該8×8 MIMO 系統(tǒng)已展現(xiàn)出約120 Mb/s 的吞吐能力；當(dāng)SNR 進一步增至20 dB 時，系統(tǒng)吞吐量超過180 Mb/s，充分驗證了MIMO 系統(tǒng)在高SNR環(huán)境下的卓越性能表現(xiàn)。

4 結(jié) 論

文章詳細分析MIMO 系統(tǒng)在無線通信工程中的應(yīng)用，結(jié)合MIMO 的典型應(yīng)用場景，介紹了空間復(fù)用、先進信道編碼交織以及高效信道估計均衡等關(guān)鍵技術(shù)，通過仿真測試驗證了MIMO 系統(tǒng)的優(yōu)勢。多天線傳輸技術(shù)能夠有效提升無線通信系統(tǒng)性能，是未來無線通信發(fā)展的重要趨勢，后續(xù)研究需要在算法和硬件上進行深入優(yōu)化，以促進無線通信領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。