无线通信MIMO技术浅析

李俊

摘要：MIMO技术是一种新型无线通信技术，它可以同时发送和接收多个空间信息流，因此其成倍地加大了无线信道容量，频谱利用率显著提高，并且MIMO信道提供的空间复用增益及空间分集增益，利用多天线对信道衰落有一定抑制作用。OFDM技术是当前应用较为广泛的一种多载波传输技术，通过傅里叶正反变化实现调制和解调，物理实现上复杂度也较低。然而通常MIMO-OFDM技术的多径传播会引起频率选择性衰落，而且有时信号在实际传播时会由于移动台的快速移动产生多普勒效应。本文通过对MIMO-OFDM系统中无线信道衰落变化分析，进而全面研究了信道容量与天线以及信噪比之间相互作用关系。

关键词：MIMO OFDM 信道衰落 信道容量

中图分类号：TN919.72 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0028-02

随着无线通信技术的飞速发展，以及人们追求生活品质的提高，人们对于通信早已不再满足简单的通话要求。现代移动通信业务种类繁多，在国民经济中服务和战略作用日益明显，而且面对日益匮乏的资源如何建立更高效、安全、快捷的移动通信系统迫在眉睫。MIMO技术以其高效的信道容量和频率利用率将成为下一代移动通信重要技术，MIMO-OFDM系统更是作为新课题被广泛研究，但是MIMO-OFDM系统同样存在信道衰落以及多普勒效应等一系列问题。因此，MIMO-OFDM系统的发展和完善还需要更多的参与和研究。

1 MIMO的概念及特征

多输入多输出MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术是一种新型无线通信技术[1]，最早由马可尼提出，它通过使用多个发射天线发射基带信号并且在接收端使用多个天线接收信号的模式，使信号更大范围内有效传送，在合理充分利用空间资源的同时提高了系统信道容量，因而受到越来越多的关注和研究。近年来，对MIMO的研究主要集中在系统信道编码技术及信道估计算法研究，包括信道编码建模分析以及自适应信道估计技术等等。

如图1所示，MIMO系统采用分立式的多天线发送和多天线分集接收技术。其过程为在发射端通过空时编码技术将信源进行编码，从而信源信号分解形成个子信息流，=1，2，……。通过MIMO系统传输系统，nr个子信息流分别通过多个天线发射，天线之间避免相互干扰，互相独立的空间分集发射，然后经MIMO系统无线信道传输之后在接收端由个接收天线接收，经由空时译码后得到信号。

我们知道香农公式给出信道容量的定量计算式（1-1）：

（1-1）

显然，MIMO系统中由于发射信号数据被分割成多个子数据流，其信道容量会随着子数据流的增加而增长，其容量可用下面公式表示：

（1-2）

其中，Nr表示子数据流的个数，从公式（1-2）看出，相同信噪比下，MIMO系统成倍提高了信道容量，技术优势凸显。

2 无线信道的基本特性

无线信道是无线通信系统的传输管道，在无线通信中信道传输的好坏直接关系着整个无线通信系统的优劣。而且对于MIMO系统而言，多输入和多输出天线的加入本身增加了传输信道的负担，同时发射端和接收端的传播路径变得尤为复杂，而且无线信道具有很大的随机性。无线信道为基站天线与移动台天线之间的电磁传播路径，其衰落特性决定着通信系统的优劣。根据不同的特性，衰落一般有大尺度衰落和小尺度衰落[3]。前者主要由于障碍物阻挡、路径损耗或天气变化引起的；相对而言，小尺度衰落产生的原因更为复杂，包括移动终端在高速移动的环境下产生的多普勒效应，以及移动台附近的散射引起的多径信号在接收端串扰，使得接收端信号变化加大。

2.1 时间选择性衰落

我们知道，发送端和接收端的相对移动会产生多普勒效应，发生多普勒效应时接收端的信号频率会发生变化，多普勒效应会受到相对运动速度影响，若发送端相对运动方向与其发生信号传播方向夹角为，则接收信号的频移可用以下公式（2-1）表示：

（2-1）

其中为光速，显然当时，多普勒频移达到最大，此时公式2-1可以写成式子（2-2）：

（2-2）

在MIMO系统中，当多普勒扩展带宽大于基带信号带宽时，信道出现时间选择性衰落[4]。我们用信道相干时间来描述衰落与多普勒频移的关系表达式（2-3）为：

（2-3）

定义为信号码元周期，当相干时间时，即在一个码元周期信号会经历多次不同的衰落，此时信道会出现快衰落特性。

2.2 频率选择性衰落

大多数情况下多径衰落受到码元周期影响较大，我们可以在时域上通过码元周期和最大多径时延来分析多径衰落：

若，即一个码元周期内信号不能被完全接收，导致相邻码元产生串扰，此时信道出现频率选择性衰落；

若，即一个码元周期内信号被完全接收，多径带来的影响被抵消，相邻码元没有干扰，此时信道是频率非选择性衰落。

从频域上分析这种衰落特性，若相干带宽用表示，我们可以通过式子（2-4）来对相干带宽进行近似数量分析：

4 MIMO信道容量分析仿真

通过对MIMO-OFDM系统进一步了解，并且对其信道信号进行算法分析，通过MATLAB来对MIMO-OFDM系统中天线数量、信噪比以及信道容量参量进行仿真分析。

在信噪比不断增加的情况下，信道容量也同样可以得到增大，在一定范围内，在不增加信号发射功率的情况下，增加天线数量可以将信道容量线性增大，通过MIMO信道将有效地提升信道容量。因此，MIMO信道技术可以缓解由于多普勒效应或者多径干扰对传输信号衰落的影响，提高整个系统传输过程中信噪比。

5 结语

移动通信的高速持续增长势必加快无线通信技术的快速发展，新技术的发展应用更需要长期不断的努力。在频谱资源日益匮乏的今天，MIMO作为未来无线通信关键核心技术，在频谱资源利用率上有着巨大潜力，MIMO必将在未来移动通信中拥有更广泛的应用。

参考文献

[1]唐夲，张杰.基于MIMO的对流层散射通信信道损耗研究[J].计算机科学，2016（3）：15-17.

[2]杨中豪，王琼.一种基于协方差矩阵的MU-MIMO干扰消除算法研究[J].电子技术应用，2015（12）：79-81.

[3]周志波，周童，王进祥.一种改进的多用户DCSK性能分析[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2009（36）：730-735.

[4]何维，唐彦楠，陈美铃.MIMO-OFDM中稀疏度自适应的信道估计方法[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2015（6）：712-715.