多輸入多輸出(MIMO)是未來有望實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)所需高速數(shù)據(jù)速率的技術(shù)之一。多數(shù)據(jù)流可通過 MIMO進行傳輸，從而增加了系統(tǒng)的吞吐量。目前，大多數(shù)3G和4G無線標準如WiMAX、TD-SCDMA和LTE等都采用了MIMO。

傳統(tǒng)方法中，接收機(Rx)和發(fā)射機(Tx)不會進行往復(fù)通信。Rx需單獨計算出信道信息，解碼數(shù)據(jù)流。這給Rx造成了沉重而復(fù)雜的負擔(dān)，也使系統(tǒng)無法完全利用信道的分集或容量。這些系統(tǒng)被稱為開環(huán)系統(tǒng)。

最新的無線標準是在手機和基站(BTS)之間分配一個有限的反饋信道。這一信道有多種用途，特別是將信道的重要信息發(fā)送回BTS。該信息可實現(xiàn)簡單的空間分集和復(fù)用技術(shù)，后者增加了系統(tǒng)的有效信噪比(SNR)，并潛在性地簡化了Rx架構(gòu)。這些系統(tǒng)稱作閉環(huán)系統(tǒng)。

學(xué)術(shù)文獻對理論限制進行了大量研究，卻很少涉及電路實現(xiàn)復(fù)雜性方面的內(nèi)容。本文將講述MIMO開環(huán)和閉環(huán)技術(shù)如何在復(fù)雜度和性能之間進行權(quán)衡，并提供實際系統(tǒng)的經(jīng)驗法則。

開環(huán)MIMO

對于單發(fā)射天線或SIMO系統(tǒng)，Rx利用MRC技術(shù)整合來自多個接收天線的數(shù)據(jù)流，以實現(xiàn)分集增益。而多個發(fā)射天線的信道更復(fù)雜，兩個不同的傳輸流間會出現(xiàn)干擾。如果Tx沒有信道信息，Rx單獨使用MIMO容量，這通常需要非常復(fù)雜的算法。

空間復(fù)用

空間復(fù)用是一種非常著名的開環(huán)MIMO技術(shù)，廣泛應(yīng)用于無線系統(tǒng)。每個發(fā)射天線送出不同的數(shù)據(jù)流。

圖1：2x2 空間復(fù)用系統(tǒng)。

圖1是一個2x2的空間復(fù)用系統(tǒng)，可以建模為：

(1)

其中x代表發(fā)射信號向量，H代表信道矩陣，n代表增加的噪聲向量，y代表接收信號向量。為了根據(jù)接收信號y評估發(fā)射信號x，直接的方法就是用迫零(zero forcing)或MMSE等逆信道矩陣乘以y。然而，這并非最佳檢測方法。

最理想的檢測方法可利用最大似然法(ML)準則。在大多數(shù)情況下，發(fā)射信號向量最大限度縮短了與接收信號向量y相關(guān)的歐幾里得距離，因此，可以通過尋找發(fā)射信號向量來執(zhí)行最大似然法。

(2)

可惜，計算的復(fù)雜性也隨著發(fā)射天線和可能的星座點的數(shù)量呈指數(shù)增加，這使最大似然法無法適于實際用途。

球形解碼(sphere decoding)雖然不是最理想的ML解決方案，卻是一種廣泛使用的方法。球形解碼算法的原理，是在球半徑內(nèi)搜索離接收信號最近的格點。在球半徑內(nèi)，格點場的每個格點都代表一個碼字。球形解碼顯著降低了檢測的復(fù)雜性，其性能可與ML檢測方法相匹敵。

然而，盡管球形解碼算法已經(jīng)降低了復(fù)雜性，卻不適于實施大量天線和64QAM等高調(diào)制率。

空時碼

另一個廣泛采用的開環(huán)MIMO是空時碼。利用空時碼，一個數(shù)據(jù)流可以用多個發(fā)射天線傳輸，但是信號編碼利用多個天線中的獨立衰落，以實現(xiàn)空間分集。

圖2：典型的Alamouti碼。

目前，最受歡迎的空時碼是Alamouti碼，已被許多無線標準采用。圖2為典型Alamouti碼，其數(shù)學(xué)方程式表述如下：

(3)