MIMO系统和无线信道容量研究

余来妹

【摘要】 近年来，多输入多输出（MIMO：multiple input multiple output）系统已成为无线通信的研究热点，使用多根天线能极大地提高频谱效率和系统容量，系统容量伴随着收发天线的较小者呈线性增长的趋势。本文首先描述了MIMO系统的模型，然后对MIMO系统的信道模型种类进行讨论，最后分析MIMO系统信道容量，充分证明了MIMO系统的优越性。

【关键词】 MIMO 无线通信 信道容量

多入多出（MIMO）技术是在通信系统收发的两端放多根天线的一种通信技术，成为近年来无线通信领域理论研究的一个重大的突破。该项技术能在不增加发射功率和系统带宽的前提下大大地改善系统的性能、增加系统的容量、提高系统频带利用率，成为了新一代多数据类型、高数据率无线通信系统的关键技术。

一、MIMO系统模型

MIMO系统是在天线空时处理技术和分集技术的基础上发展起来的，是发射端和接收端都使用天线阵列或多天线的通信系统。MIMO系统的结构如图1所示。在发射端，对信号进行空时编码，然后从多个天线通道使用同一频段发射出去，经过无线信道的散射传播，经过不同的路径到达接收端，在接收端使用多个天线通道接收，然后进行空时译码。

二、MIMO系统的信道模型种类

通常可以将信道建模方法分成两大类，分别是分析模型和物理模型。分析模型是在一定的天线和系统参数下，同时参考了天线的配置和物理电磁波的传播特性来说明收发天线之间的信道冲激响应。在这种模型之下，信道的系数在时间和空间上是相关的随机过程，然而这种相关性是通过计算来定义的。而物理模型主要用来描述收发天线之间电磁波的双向多径传播特性。因为物理信道模型是和特定地理位置密切相关的，所以可以准确地描述电磁波的多径分量、复振幅，到达角和离开角。同时物理模型独立于天线的系统带宽和具体的配置。

2.1 分析模型

分析模型主要通过数学分析的方法来描述收发天线间的信道冲激响应特性，而无需明确的电磁波传播的特性。单个冲激响应只包括一个MIMO信道矩阵，该方法的优势在于引入了信道矩阵，便于算法验证以及算法研究。分析模型还可以细分为：基于相关法的模型和传播驱动模型。基于相关法的模型特征为MIMO信道矩阵在统计上具有相关性，常用的基于相关法的信道模型有Weichselberger模型、独立同分布i.i.d模型和Kronecker模型。传播驱动模型则是通过传播的参数获得信道矩阵的，其中包括虚拟信道实现模型、有限散射体模型和最大熵模型。

2.2 物理模型

物理模型主要基于实际环境的测量而建立起来的信道模型。其需要获取详细的信道环境信息，例如自然界的物体和建筑物的精确分布、位置和大小等等。物理模型实现的方法主要有非几何的随机信道模型、确定性的信道模型和基于几何的随机信道模型。非几何的随机模型根据统计参数描述了电磁波从发射端至接收端的传播路径，而不用考虑几何的物理环境。确定性的模型基本思想则是若详细的传播环境的信息可以获取，这样的话，无线传播就可以看作一个确定的过程；它能确定空间任何一点的各种空时特性。这类的信道模型主要用于小区的规划。基于几何随机模型是根据散射体的具体位置而决定的，然而散射体具体的位置是由特定的概率分布函数随机产生的。

三、MIMO系统信道容量

3.1 信道容量的定义和含义

3.2 MlM0信道容量的一般性推导

根据信道统计特性，通常可将容量统计特性分为中断容量和遍历容量。

3.2.1 中断容量

3.2.2 遍历容量

四、MIMO应用及其前景

因为对MIMO所做的研究日益成熟，最近的许多研究成果表示MIMO技术具有较大的优势，在3GPP和ITU 论坛中已经开始对MIMO进行标准化。将几种技术和MIMO相结合，可进一步地改进系统的频谱效率、通过量和性能，这激发了人们极大的兴趣。

到目前看来，对于蜂窝系统，仍然没有在商用的系统中采，用MIM0技术，除了MISO发分集（较为简单）外，正在部署中的商用系统也没有。Lucent贝尔实验室在2002年12月研发成功了BIAST芯片，Iospan Wireless发明出了应用于固定的无线接入的Airburst系统。

对于3GPP，基于链路层的模拟，结合扩频码和VBLAST再用，已经拥有了一些MIMO技术方面的成果。吞吐量增益（MIMO所提供）是在理想的情况下所获得的，并且对于信道的条件很敏感。MIMO增益的代价就是增加手机和基站的接收机的复杂度，不同因素，例如错误的高多普勒频移、信道估计，天线的相关性等，都会对理想的系统性能造成影响。

五、总结

MIMO系统借助空间维度和散射环境，建立了多个并行的空间信道，在不需要增加发射功率和系统带宽的情况下，利用无线信道多径传播，获取分集增益与复用增益，从而明显地提高无线链路的质量和容量。MIMO作为新一代的宽带无线通信系统的框架技术，是实现充分地利用空间资源来提高频谱利用率的一个必经途径，具有巨大的发展前景。

参 考 文 献

[1] 樊昌信等. 通信原理. 北京：国防工业出版社，1995，56-60

[2] 康桂华. 无线MIMO信道的模型容量估计和实现算法研究：[学位论文]. 杭州：浙江大学，2004

[3] 罗涛等. 多天线无线通信原理与应用. 北京：北京邮电大学出版社，2005，129-136endprint

【摘要】 近年来，多输入多输出（MIMO：multiple input multiple output）系统已成为无线通信的研究热点，使用多根天线能极大地提高频谱效率和系统容量，系统容量伴随着收发天线的较小者呈线性增长的趋势。本文首先描述了MIMO系统的模型，然后对MIMO系统的信道模型种类进行讨论，最后分析MIMO系统信道容量，充分证明了MIMO系统的优越性。

【关键词】 MIMO 无线通信 信道容量

多入多出（MIMO）技术是在通信系统收发的两端放多根天线的一种通信技术，成为近年来无线通信领域理论研究的一个重大的突破。该项技术能在不增加发射功率和系统带宽的前提下大大地改善系统的性能、增加系统的容量、提高系统频带利用率，成为了新一代多数据类型、高数据率无线通信系统的关键技术。

一、MIMO系统模型

MIMO系统是在天线空时处理技术和分集技术的基础上发展起来的，是发射端和接收端都使用天线阵列或多天线的通信系统。MIMO系统的结构如图1所示。在发射端，对信号进行空时编码，然后从多个天线通道使用同一频段发射出去，经过无线信道的散射传播，经过不同的路径到达接收端，在接收端使用多个天线通道接收，然后进行空时译码。

二、MIMO系统的信道模型种类

通常可以将信道建模方法分成两大类，分别是分析模型和物理模型。分析模型是在一定的天线和系统参数下，同时参考了天线的配置和物理电磁波的传播特性来说明收发天线之间的信道冲激响应。在这种模型之下，信道的系数在时间和空间上是相关的随机过程，然而这种相关性是通过计算来定义的。而物理模型主要用来描述收发天线之间电磁波的双向多径传播特性。因为物理信道模型是和特定地理位置密切相关的，所以可以准确地描述电磁波的多径分量、复振幅，到达角和离开角。同时物理模型独立于天线的系统带宽和具体的配置。

2.1 分析模型

分析模型主要通过数学分析的方法来描述收发天线间的信道冲激响应特性，而无需明确的电磁波传播的特性。单个冲激响应只包括一个MIMO信道矩阵，该方法的优势在于引入了信道矩阵，便于算法验证以及算法研究。分析模型还可以细分为：基于相关法的模型和传播驱动模型。基于相关法的模型特征为MIMO信道矩阵在统计上具有相关性，常用的基于相关法的信道模型有Weichselberger模型、独立同分布i.i.d模型和Kronecker模型。传播驱动模型则是通过传播的参数获得信道矩阵的，其中包括虚拟信道实现模型、有限散射体模型和最大熵模型。

2.2 物理模型

物理模型主要基于实际环境的测量而建立起来的信道模型。其需要获取详细的信道环境信息，例如自然界的物体和建筑物的精确分布、位置和大小等等。物理模型实现的方法主要有非几何的随机信道模型、确定性的信道模型和基于几何的随机信道模型。非几何的随机模型根据统计参数描述了电磁波从发射端至接收端的传播路径，而不用考虑几何的物理环境。确定性的模型基本思想则是若详细的传播环境的信息可以获取，这样的话，无线传播就可以看作一个确定的过程；它能确定空间任何一点的各种空时特性。这类的信道模型主要用于小区的规划。基于几何随机模型是根据散射体的具体位置而决定的，然而散射体具体的位置是由特定的概率分布函数随机产生的。

三、MIMO系统信道容量

3.1 信道容量的定义和含义

3.2 MlM0信道容量的一般性推导

根据信道统计特性，通常可将容量统计特性分为中断容量和遍历容量。

3.2.1 中断容量

3.2.2 遍历容量

四、MIMO应用及其前景

因为对MIMO所做的研究日益成熟，最近的许多研究成果表示MIMO技术具有较大的优势，在3GPP和ITU 论坛中已经开始对MIMO进行标准化。将几种技术和MIMO相结合，可进一步地改进系统的频谱效率、通过量和性能，这激发了人们极大的兴趣。

到目前看来，对于蜂窝系统，仍然没有在商用的系统中采，用MIM0技术，除了MISO发分集（较为简单）外，正在部署中的商用系统也没有。Lucent贝尔实验室在2002年12月研发成功了BIAST芯片，Iospan Wireless发明出了应用于固定的无线接入的Airburst系统。

对于3GPP，基于链路层的模拟，结合扩频码和VBLAST再用，已经拥有了一些MIMO技术方面的成果。吞吐量增益（MIMO所提供）是在理想的情况下所获得的，并且对于信道的条件很敏感。MIMO增益的代价就是增加手机和基站的接收机的复杂度，不同因素，例如错误的高多普勒频移、信道估计，天线的相关性等，都会对理想的系统性能造成影响。

五、总结

MIMO系统借助空间维度和散射环境，建立了多个并行的空间信道，在不需要增加发射功率和系统带宽的情况下，利用无线信道多径传播，获取分集增益与复用增益，从而明显地提高无线链路的质量和容量。MIMO作为新一代的宽带无线通信系统的框架技术，是实现充分地利用空间资源来提高频谱利用率的一个必经途径，具有巨大的发展前景。

参 考 文 献

[1] 樊昌信等. 通信原理. 北京：国防工业出版社，1995，56-60

[2] 康桂华. 无线MIMO信道的模型容量估计和实现算法研究：[学位论文]. 杭州：浙江大学，2004

[3] 罗涛等. 多天线无线通信原理与应用. 北京：北京邮电大学出版社，2005，129-136endprint

【摘要】 近年来，多输入多输出（MIMO：multiple input multiple output）系统已成为无线通信的研究热点，使用多根天线能极大地提高频谱效率和系统容量，系统容量伴随着收发天线的较小者呈线性增长的趋势。本文首先描述了MIMO系统的模型，然后对MIMO系统的信道模型种类进行讨论，最后分析MIMO系统信道容量，充分证明了MIMO系统的优越性。

【关键词】 MIMO 无线通信 信道容量

多入多出（MIMO）技术是在通信系统收发的两端放多根天线的一种通信技术，成为近年来无线通信领域理论研究的一个重大的突破。该项技术能在不增加发射功率和系统带宽的前提下大大地改善系统的性能、增加系统的容量、提高系统频带利用率，成为了新一代多数据类型、高数据率无线通信系统的关键技术。

一、MIMO系统模型

MIMO系统是在天线空时处理技术和分集技术的基础上发展起来的，是发射端和接收端都使用天线阵列或多天线的通信系统。MIMO系统的结构如图1所示。在发射端，对信号进行空时编码，然后从多个天线通道使用同一频段发射出去，经过无线信道的散射传播，经过不同的路径到达接收端，在接收端使用多个天线通道接收，然后进行空时译码。

二、MIMO系统的信道模型种类

通常可以将信道建模方法分成两大类，分别是分析模型和物理模型。分析模型是在一定的天线和系统参数下，同时参考了天线的配置和物理电磁波的传播特性来说明收发天线之间的信道冲激响应。在这种模型之下，信道的系数在时间和空间上是相关的随机过程，然而这种相关性是通过计算来定义的。而物理模型主要用来描述收发天线之间电磁波的双向多径传播特性。因为物理信道模型是和特定地理位置密切相关的，所以可以准确地描述电磁波的多径分量、复振幅，到达角和离开角。同时物理模型独立于天线的系统带宽和具体的配置。

2.1 分析模型

分析模型主要通过数学分析的方法来描述收发天线间的信道冲激响应特性，而无需明确的电磁波传播的特性。单个冲激响应只包括一个MIMO信道矩阵，该方法的优势在于引入了信道矩阵，便于算法验证以及算法研究。分析模型还可以细分为：基于相关法的模型和传播驱动模型。基于相关法的模型特征为MIMO信道矩阵在统计上具有相关性，常用的基于相关法的信道模型有Weichselberger模型、独立同分布i.i.d模型和Kronecker模型。传播驱动模型则是通过传播的参数获得信道矩阵的，其中包括虚拟信道实现模型、有限散射体模型和最大熵模型。

2.2 物理模型

物理模型主要基于实际环境的测量而建立起来的信道模型。其需要获取详细的信道环境信息，例如自然界的物体和建筑物的精确分布、位置和大小等等。物理模型实现的方法主要有非几何的随机信道模型、确定性的信道模型和基于几何的随机信道模型。非几何的随机模型根据统计参数描述了电磁波从发射端至接收端的传播路径，而不用考虑几何的物理环境。确定性的模型基本思想则是若详细的传播环境的信息可以获取，这样的话，无线传播就可以看作一个确定的过程；它能确定空间任何一点的各种空时特性。这类的信道模型主要用于小区的规划。基于几何随机模型是根据散射体的具体位置而决定的，然而散射体具体的位置是由特定的概率分布函数随机产生的。

三、MIMO系统信道容量

3.1 信道容量的定义和含义

3.2 MlM0信道容量的一般性推导

根据信道统计特性，通常可将容量统计特性分为中断容量和遍历容量。

3.2.1 中断容量

3.2.2 遍历容量

四、MIMO应用及其前景

因为对MIMO所做的研究日益成熟，最近的许多研究成果表示MIMO技术具有较大的优势，在3GPP和ITU 论坛中已经开始对MIMO进行标准化。将几种技术和MIMO相结合，可进一步地改进系统的频谱效率、通过量和性能，这激发了人们极大的兴趣。

到目前看来，对于蜂窝系统，仍然没有在商用的系统中采，用MIM0技术，除了MISO发分集（较为简单）外，正在部署中的商用系统也没有。Lucent贝尔实验室在2002年12月研发成功了BIAST芯片，Iospan Wireless发明出了应用于固定的无线接入的Airburst系统。

对于3GPP，基于链路层的模拟，结合扩频码和VBLAST再用，已经拥有了一些MIMO技术方面的成果。吞吐量增益（MIMO所提供）是在理想的情况下所获得的，并且对于信道的条件很敏感。MIMO增益的代价就是增加手机和基站的接收机的复杂度，不同因素，例如错误的高多普勒频移、信道估计，天线的相关性等，都会对理想的系统性能造成影响。

五、总结

MIMO系统借助空间维度和散射环境，建立了多个并行的空间信道，在不需要增加发射功率和系统带宽的情况下，利用无线信道多径传播，获取分集增益与复用增益，从而明显地提高无线链路的质量和容量。MIMO作为新一代的宽带无线通信系统的框架技术，是实现充分地利用空间资源来提高频谱利用率的一个必经途径，具有巨大的发展前景。

参 考 文 献

[1] 樊昌信等. 通信原理. 北京：国防工业出版社，1995，56-60

[2] 康桂华. 无线MIMO信道的模型容量估计和实现算法研究：[学位论文]. 杭州：浙江大学，2004

[3] 罗涛等. 多天线无线通信原理与应用. 北京：北京邮电大学出版社，2005，129-136endprint