浅析MIMO技术的现状与发展趋势

刘嘉敏

（广东南方职业学院，江门 529000）

1 引言

随着无线互联网通信技术的快速发展，对无线通信系统的信道容量和可靠性传输面临着严峻的考验，解决该问题的一个新途径就是采用MIMO技术。MIMO技术结合空间分集和空时编码技术，采用多天线技术进行信号传输，充分合理地利用空间资源，提高了系统的信道容量，并且具有更高的数据传输速率和更好的通信质量，因此受到越来越多的关注和研究。

2 MIMO的现状与发展趋势

2.1 无线信道建模

无线通信系统的性能主要是受移动无线信道的制约。在无线通信系统中，发射机和接收机之间的传播路径是非常复杂的，并且具有极度的时变随机性，难以分析。无线信道传播模型分为大尺度传播模型和小尺度传播模型。通过研究，已经建立了多种数学及实验模型来分析无线信道对电信号所引起的衰落特性，如Okumura模型，Hata模型，COST系列模型等。在实际应用中，我们要遵循MIMO信道研究的规律、接收机的快速移动、环境物体的运动速度等因素来建立更准确的信道动态模型，比如在高速移动环境下对MIMO信道测量与建模、高铁通信网的建设等等，然而至今ITU还没有出台较为全面的MIMO信道模型适用标准。即将到来的5G时代将采用大规模MIMO技术，关于大规模MIMO系统模型、理论性能，以及无线数据业务量的爆发性增长，将会推动着研究人员不断发展适合未来的无线通信的新技术。

2.2 信道容量

信道容量表示通信系统的最大传输率。目前的研究主要是基于V-BLAST的MIMO系统在单位带宽上的信道容量，数学表达式为：

其中，nT与nR分别是发射机的天线数与接收机的天线数；Im为min（nR，nT） 阶单位矩阵 ；

搭建MATLAB仿真平台为MIMO信道容量公式进行编程，仿真结果表明：当功率和带宽恒定时，信道容量会随着最小天线数增加而线性增加，即在不增加天线发射功率和带宽的前提下，利用MIMO信道使得信道容量成倍地增加。如果在同等条件下，MIMO采用多天线或天线阵列的智能天线系统，其容量也会随着天线数的对数增加而增加。未来的5G时代对信道容量的要求会更高，研究人员需要深入考虑到实际信道中的其他参量对大规模MIMO系统的影响，如用户移动速度、天线相关性等，这些参数产生的影响还需要进一步研究。

2.3 信道状态信息的获取

为了能够有效地提升通信系统性能，在数据发送前能够获取信道状态信息（CSI）会对发送策略有指导作用，更能保证信息保质保量地传输。研究表明，使用奇异值分解可以把传输矩阵转化成对角阵的形式，运用信道信息对发送信号进行“预处理”，将传输过程转化成具有“平行子信道”的对角阵形式。在对角阵中获取信道矩阵秩的信息（奇异值的个数），灵活地调整空间流，提高通信系统效率，还可以使用“注水算法”分配发送功率，提升系统容量。所谓的“注水算法”，就是调整发送功率，给条件好的子信道多分配一些功率，给条件差的子信道少分或不分配功率。LTE协议中的线性预编码技术和802.11n中的波束成形技术，就是应用这个原理和思想。实际上，MIMO系统所有数据共享的频率资源是相同的，这样一来会导致分配给CSI获取的资源有限，再加上上下行传输信道不存在互益性的频分双工（FDD）制式下，使得CSI获取变得十分困难。研究人员已经围绕着FDD模式下MIMO系统的信道状态信息获取及反馈问题展开了研究与实验验证，相信不久的将来会得到应用。

2.4 与传播相关的研究方向

我们一般认为多径会导致衰落这一现象是有害的，为了对抗宽带无线信道频率选择性衰落，大幅度地提高无线通信系统的吞吐量，国际上认可的方法之一是将MIMO技术与一些有效的宽带无线传输技术结合，如目前应用最广泛的MIMO-OFDM技术。OFDM是一种采用多载波调制的频分复用技术，具有提高了多径衰落和脉冲干扰的能力，但无法提高频谱利用率。MIMO无线通信系统能够高效提高无线信道容量，显著提高频谱利用率，传输过程中可以提高空间复用增益和空间分集增益，采用多天线多入多出的模式还会对信道衰落有抑制作用。因此，采用MIMO-OFDM结合技术可以最大程度地发挥彼此优点，但有研究表明MIMO-OFDM技术存在信道衰落和多普勒效应等问题，所以MIMO-OFDM系统的发展还需要更多的参与和研究。

3 结束语

无线通信技术快速发展的今天，MIMO技术使用的天线数量会不断地增加，以致于算法的复杂性和实现的复杂性也会增大，非常不利于MIMO技术发挥优势。因此，新技术的发展和应用仍然需要我们长期不懈的探讨和研究。