MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線(xiàn)傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過(guò)多個(gè)天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線(xiàn)發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。

　　MIMO技術(shù)最早是由馬可尼于1908年提出的，它利用發(fā)射端的多個(gè)天線(xiàn)各自獨(dú)立發(fā)送信號(hào)，同時(shí)在接收端用多個(gè)天線(xiàn)接收并恢復(fù)原信息，就可以實(shí)現(xiàn)以更小的代價(jià)達(dá)到更高的用戶(hù)速率。

　　mimo技術(shù)

　　優(yōu)點(diǎn)

　　MIMO 技術(shù)的應(yīng)用，使空間成為一種可以用于提高性能的資源，并能夠增加無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的覆蓋范圍。

　　無(wú)線(xiàn)電發(fā)送的信號(hào)被反射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多份信號(hào)。每份信號(hào)都是一個(gè)空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個(gè)空間流。MIMO 允許多個(gè)天線(xiàn)同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來(lái)自不同空間方位的信號(hào)。多天線(xiàn)系統(tǒng)的

　　應(yīng)用，使得多達(dá) min（Nt，Nr）的并行數(shù)據(jù)流可以同時(shí)傳送。同時(shí)，在發(fā)送端或接收端采用多天線(xiàn)，可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。一般的，分集增益可以高達(dá)Nt*Nr。

　　老接入點(diǎn)到老客戶(hù)端 - 只發(fā)送和接收一個(gè)空間流

　　MIMO

　　MIMO 接入點(diǎn)到 MIMO 客戶(hù)端 - 同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流

　　MIMO

　　可以看出，此時(shí)的信道容量隨著天線(xiàn)數(shù)量的增大而線(xiàn)性增大。也就是說(shuō)可以利用MIMO信道成倍地提高無(wú)線(xiàn)信道容量，在不增加帶寬和天線(xiàn)發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。 利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實(shí)驗(yàn)室的BLAST算法、ZF（zero-forcing，迫零）

　　算法、MMSE（minimum mean square error，最小均方差）算法、ML（maximum likelihood，最大似然）算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的無(wú)線(xiàn)通信不能滿(mǎn)足要求。ZF算法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)信道的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實(shí)際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術(shù)得出的。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。常見(jiàn)的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼?？諘r(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。 潛力

　　通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(xiàn)（或陣列天線(xiàn)）和多通道，MIMO的多入多出是針對(duì)多徑無(wú)線(xiàn)信道來(lái)說(shuō)的。傳輸信息流s（k）經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流ci（k），I=1，……，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線(xiàn)發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線(xiàn)接收。多天線(xiàn)接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開(kāi)并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。

　　特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線(xiàn)間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。

　　MIMO將多徑無(wú)線(xiàn)信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。

　　系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對(duì)于發(fā)射天線(xiàn)數(shù)為N，接收天線(xiàn)數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)N、M很大，則信道容量C近似為：C=［min（M，N）］Blog2（ρ/2） 其中B為信號(hào)帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min（M，N）為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時(shí)，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線(xiàn)數(shù)的增加而線(xiàn)性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線(xiàn)或天線(xiàn)陣列的普通智能天線(xiàn)系統(tǒng)，其容量?jī)H隨天線(xiàn)數(shù)的對(duì)數(shù)增加而增加。相對(duì)而言，多入多出對(duì)于提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。 理論容量與天線(xiàn)數(shù)關(guān)系：

　　圖4-4

　?。?）圖4-4所示的四條信道容量曲線(xiàn)的發(fā)射天線(xiàn)數(shù)量 都為4，以接收天線(xiàn)數(shù)量 為橫軸，信噪比依次為0dB、5dB、10dB、15dB。從這四條不同的曲線(xiàn)我們可以得出結(jié)論：

　　1．發(fā)射天線(xiàn)數(shù)量一定，信噪比不變時(shí)信道容量隨著接收天線(xiàn)數(shù)的增多而增大，且增大的幅度越來(lái)越小。

　　2．發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的數(shù)量均相同，信道容量隨信噪比的增大而增大。

　?。?）圖4-5所示的四條信道容量曲線(xiàn)的接收天線(xiàn)數(shù)量 都為4，以發(fā)射天線(xiàn)數(shù)量 為橫軸，信噪比分別為0dB、5dB、10dB、15dB。從這四條不同的曲線(xiàn)我們可以得出結(jié)論：

　　1．接收天線(xiàn)數(shù)量一定，信噪比不變時(shí)信道容量隨著發(fā)射天線(xiàn)數(shù)的增多而增大，增大的幅度會(huì)越來(lái)越小。

　　2．當(dāng)發(fā)射天線(xiàn)數(shù)大于接收天線(xiàn)數(shù)時(shí)，信道容量增大的幅度會(huì)大幅度減緩，當(dāng) 》10以后，信道容量基本上就沒(méi)有多大變化。 由上述結(jié)論我們可以看到信道容量隨著天線(xiàn)數(shù)量的增大而線(xiàn)性增大。也就是說(shuō)可以在不增加帶寬和天線(xiàn)發(fā)送功率的情況下利用MIMO信道成倍地提高無(wú)線(xiàn)信道容量，證明了MIMO信道系統(tǒng)理論的正確性

　　MIMO技術(shù)分類(lèi)

　　在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，我們可以利用多天線(xiàn)來(lái)抑制信道衰落，以提高系統(tǒng)容量、覆蓋面和數(shù)據(jù)傳輸速率等性能。MIMO（Multiple Input Multiple Ouput，多輸入多輸出）就是典型的多天線(xiàn)技術(shù)，它最早是由Marconi于1908年提出的，是指在發(fā)送端或接收端采用多根天線(xiàn)，使信號(hào)在空間獲得陣列增益、分集增益、復(fù)用增益和干擾抵消等，從而得到更大的系統(tǒng)容量、更廣的覆蓋面和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于MIMO可以在不需要增加頻譜資源和天線(xiàn)發(fā)射功率的情況下大幅地增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量以及傳送距離，使得此技術(shù)于最近幾年受到許多矚目。

　　根據(jù)收發(fā)天線(xiàn)數(shù)目的不同，MIMO系統(tǒng)可以分為SISO（SingleInput SingleOutput 單輸入單輸出）、MISO（MultipleInput SingleOutput 多輸入單輸出）、SIMO（SingleInput MultipleOutput 單輸入多輸出）、MIMO以及協(xié)作MIMO等多種方式。

　?。?）SISO是采用單天線(xiàn)發(fā)送和單天線(xiàn)接收的方式，如下圖所示。由香農(nóng)定理可知，理論上單天線(xiàn)的信息容量受限于鏈路的SNR，容量每增加1bit/s/Hz，發(fā)射功率就需要增加一倍，比如從1bit/s/Hz增加到11bit/s/Hz，發(fā)射功率就必須增加約1000倍。

　　（2）MISO是采用多天線(xiàn)發(fā)送和單天線(xiàn)接收的方式，如下圖所示。下行方向上使用MISO時(shí)，表示基站采用多天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射，基站所服務(wù)的所有終端用戶(hù)都能獲得發(fā)射分集增益，并且鏈路容量隨著天線(xiàn)數(shù)目的增加而以對(duì)數(shù)方式提升。根據(jù)天線(xiàn)發(fā)射信號(hào)的不同，MISO包括以下兩種類(lèi)型：《1》發(fā)射分集 多根天線(xiàn)都發(fā)送相同的信號(hào)。發(fā)射天線(xiàn)相互靠近時(shí)，接收側(cè)接收到的信號(hào)較強(qiáng)。但是由于天線(xiàn)位置較近，所以通路間相關(guān)性比較大，從而限制了分集增益?！?》空時(shí)塊編碼 多根天線(xiàn)不僅發(fā)送相同的信息，還發(fā)送具有相關(guān)性的不同數(shù)據(jù)塊，這樣不僅能夠提升數(shù)據(jù)傳輸速率，也能夠顯著增加覆蓋面和傳輸可靠性。

　?。?）SIMO是采用單天線(xiàn)發(fā)送和多天線(xiàn)接收的方式，如下圖所示。這種方式下，基站所服務(wù)的所有終端用戶(hù)都能夠獲得接收分集增益，并且鏈路容量隨著天線(xiàn)數(shù)目的增加而以對(duì)數(shù)方式提升。由于不同路徑上的接收信號(hào)具有不同的空間特性和特征，因此，接收機(jī)可以采用交換分集或者最大比合并方式進(jìn)行接收，以便獲取最大的SNR.

　　（4）MIMO是采用多天線(xiàn)發(fā)送和多天線(xiàn)接收的方式，如下圖所示。MIMO可以看成是雙天線(xiàn)分集的擴(kuò)展，而且有效使用了編碼重用（Code Reuse）技術(shù)，即用相同的信道編碼和擾碼對(duì)多個(gè)不同的數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制。MIMO系統(tǒng)中收發(fā)端各有多根天線(xiàn)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間采用不同天線(xiàn)配置的組合，可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)也可以提高系統(tǒng)容量。

　　根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，MIMO可以分為空間復(fù)用、空間分集、波束賦形等類(lèi)型；根據(jù)接收端是否反饋信息狀態(tài)信息，MIMO可以分為閉環(huán)和開(kāi)環(huán)兩種類(lèi)型。

　?。?）空間復(fù)用指系統(tǒng)將高速數(shù)據(jù)流分成多路低速數(shù)據(jù)流，經(jīng)過(guò)編碼后調(diào)制到多根發(fā)射天線(xiàn)上進(jìn)行發(fā)送。由于不同空間信道間具有獨(dú)立的衰落特性，因此接收端利用最小均方誤差或者串行干擾刪除技術(shù)，就能夠區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。這種方式下，使用相同的頻率資源可以獲取更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，意味著頻譜效率和峰值速率都得到改善和提高。

　?。?）空間分集指將同一信息進(jìn)行正交編碼后從多根天線(xiàn)上發(fā)射出去的方式。接收端將信號(hào)區(qū)分出來(lái)并進(jìn)行合并，從而獲得分集增益。編碼相當(dāng)于在發(fā)射端增加了信號(hào)的冗余度，因此可以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤率，使傳輸可靠性和覆蓋面增加。分集技術(shù)主要用來(lái)對(duì)抗信道衰落。

　?。?）波束賦形是通過(guò)對(duì)信道的準(zhǔn)確估計(jì)，采用多根天線(xiàn)產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將信號(hào)能量集中在欲傳輸?shù)姆较颍瑥亩嵘盘?hào)質(zhì)量，降低用戶(hù)見(jiàn)的干擾。

　　（4）接收端不反饋任何信息給發(fā)射端，因而發(fā)射端無(wú)法了解信道狀態(tài)信息時(shí)，信息的傳輸方式稱(chēng)為開(kāi)環(huán)傳輸模式。開(kāi)環(huán)傳輸模式下，接收端沒(méi)有任何信息反饋給發(fā)射端，因而功率在發(fā)射端各天線(xiàn)平均分配。

　?。?）接收端給發(fā)射端進(jìn)行信息反饋，發(fā)射端就可以了解全部或者部分信道狀態(tài)信息，信息的傳輸方式稱(chēng)為閉環(huán)傳輸模式。閉環(huán)傳輸模式下，發(fā)射端需要從接收端得到下行信道狀態(tài)的反饋，構(gòu)成反饋信道，也將依次在各數(shù)據(jù)流間調(diào)整發(fā)射功率。

　　MIMO技術(shù)已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)近幾年的持續(xù)發(fā)展，MIMO技術(shù)將越來(lái)越多地應(yīng)用于各種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。在無(wú)線(xiàn)寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)方面，第3代移動(dòng)通信合作計(jì)劃（3GPP）已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中加入了MIMO技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，B3G和4G的系統(tǒng)中也將應(yīng)用MIMO技術(shù)。在無(wú)線(xiàn)寬帶接入系統(tǒng)中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標(biāo)準(zhǔn)也采用了MIMO技術(shù)。在其他無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)研究中，如超寬帶（UWB）系統(tǒng)、感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)（CR），都在考慮應(yīng)用MIMO技術(shù)。

　　摩爾實(shí)驗(yàn)室（MORLAB）在通信測(cè)試認(rèn)證方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，摩爾實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員也會(huì)緊跟技術(shù)變更的步伐，定期將我們的心得總結(jié)成文，供大家參考。