什么是MIMO？為什么要用MIMO？MIMO的形式？

什么是MIMO？

MIMO技術(shù)是指能在不增加帶寬的情況下，成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。

它可以定義為發(fā)送端和接收端之間存在多個(gè)獨(dú)立信道，也就是說(shuō)天線單元之間存在充分的間隔，因此，消除了天線間信號(hào)的相關(guān)性，提高了信號(hào)的鏈路性能，增加了數(shù)據(jù)吞吐量。



在設(shè)計(jì)上，MIMO是5g和WiFi-6的核心技術(shù)所在，多組天線的收發(fā)，能夠保障穩(wěn)定的信息傳輸和更大的信道容量，使得網(wǎng)速大大提升。

為什么要用MIMO？

先來(lái)介紹一下傳輸理論公式：



從公式我們都知道，要想接收功率大，只有以下幾種方法：增大發(fā)射功率，增大發(fā)射、接收天線增益，增大波長(zhǎng)，減小通信距離。

從實(shí)際應(yīng)用中，為了保證通信容量，低頻段很難保證；縮短通信距離意味著需要更多的基站；增大發(fā)射功率意味著成本指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，同時(shí)由于無(wú)委會(huì)的限制，好多公網(wǎng)頻段的發(fā)射功率都有限制；最終結(jié)果就只有一個(gè)，增大接收天線和發(fā)射天線的增益。

但是單天線的增益不是無(wú)限增加的，這里就不得不引入一個(gè)新概念-波束賦形。

波束賦形也可以看作是一個(gè)空間的高級(jí)濾波器，把天線輻射的能量集中起來(lái)。這一特殊功能形成特定的波束并通過(guò)波束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。



單天線的增益沒(méi)有辦法無(wú)限增加，但是可以通過(guò)多天線賦型實(shí)現(xiàn)增益的提升。

MIMO的形式？

MIMO主要使用了兩種關(guān)鍵技術(shù)：空間分集和空分復(fù)用。不管是分集技術(shù)還是復(fù)用技術(shù)，都是把一路數(shù)據(jù)變成多路數(shù)據(jù)的技術(shù)，可以歸為空時(shí)編碼技術(shù)。

空間分集，又被稱(chēng)為天線分集，是無(wú)線通信中使用最多的分集形式，它既可以用于移動(dòng)臺(tái)，也可以用于基站，或者同時(shí)應(yīng)用于兩者。

空間分集基于這樣一個(gè)事實(shí):在移動(dòng)臺(tái)端，如果天線間的相隔距離等于或者大于半個(gè)波長(zhǎng)，或者在基站端分集天線間的相隔距離大于一定值(通常是幾十個(gè)波長(zhǎng))，那么不同的分集天線上收到的信號(hào)包絡(luò)將基本上是不相關(guān)的。

空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個(gè)數(shù)據(jù)通道（MIMO子信道）發(fā)射信號(hào)，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。

這種信道容量的增加不需要占用額外的帶寬，也不需要消耗額外的發(fā)射功率，因此是提高信道和系統(tǒng)容量一種非常有效的手段。



其實(shí)簡(jiǎn)單理解也就是空間分集不同通道中傳輸?shù)氖窍嗤臄?shù)據(jù)。

有效降低了多徑效應(yīng)的影響。

空間復(fù)用不同通道中傳輸?shù)氖遣煌臄?shù)據(jù)。

大大增加了信道容量。

MIMO的本質(zhì)就是一種復(fù)雜的分集技術(shù)，它通過(guò)空間復(fù)用和空間分集這兩種方式來(lái)提高信息傳輸速率或改善系統(tǒng)性能。

空間分集是為了提高系統(tǒng)的魯棒性，而空間復(fù)用更多的是為了提高系統(tǒng)的吞吐量；這兩種技術(shù)都可以有效的提高信號(hào)增益。



今天我們重點(diǎn)來(lái)了解一下分集技術(shù)。

空間分集（又叫做天線分集），指將同一信息進(jìn)行編碼后從多指將同一信息進(jìn)行編碼后從多根天線上發(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。

空間分集技術(shù)經(jīng)常用于城市蜂窩系統(tǒng)中，它可以通過(guò)選擇最好的接收信號(hào)或其合成信號(hào)以減少衰落的影響。

分集的基本思想是將接收到的多徑信號(hào)分離成不相關(guān)的（獨(dú)立的）多路信號(hào)，然后把這些多路信號(hào)分離信號(hào)的能量按一定的規(guī)則合并起來(lái)，使接收到的有用信號(hào)能量最大，進(jìn)而提高接收信號(hào)的信噪比。

因此，分集接收包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是如何把接收的多徑信號(hào)分離出來(lái)使其互不相關(guān)，二是將分離出來(lái)的多徑信號(hào)恰當(dāng)合并，以獲得最大信噪比。

在空間分集系統(tǒng)模型中，當(dāng)發(fā)射天線間距大于長(zhǎng)度d時(shí)，我們可以認(rèn)為不同子信道的信道增益相互獨(dú)立，產(chǎn)生的信號(hào)路徑也是不相關(guān)的，d是與天線所處的散射環(huán)境和載波頻率有關(guān)的常數(shù)（通常我們認(rèn)為d大于1/2的波長(zhǎng)）。

那么MIMO天線分集是不是天線越多越好？ 香農(nóng)給出了單發(fā)射天線、單接收天線的SISO無(wú)線信道的極限容量公式：



B為信道帶寬，S/N為接收端信噪比。

由香農(nóng)公式，提高SNR或帶寬可以增加無(wú)線信道容量。但發(fā)射功率P和帶寬都是有一定限度的。在一定帶寬條件下，SISO無(wú)論采用什么樣的編碼和調(diào)制方式，系統(tǒng)容量都不可能超過(guò)香農(nóng)公式極限。

目前廣泛使用的Turbo碼、LDPC碼，使信道容量逼近了信道容量極限。

但多天線的情況下，信道容量隨著接收天線數(shù)量Mr的增加而增加，兩者為對(duì)數(shù)關(guān)系；信道容量也隨著發(fā)射天線數(shù)量Mt的增加而增加，兩者也為對(duì)數(shù)關(guān)系； 也就是說(shuō)發(fā)射分集和接受分集可以改善接收端的信噪比，從而提高信道容量和頻譜效率，但對(duì)信道容量的提升也是有限的，僅為對(duì)數(shù)關(guān)系。

MIMO系統(tǒng)容量會(huì)隨著發(fā)射端或接收端天線數(shù)中較小的一方min（Mr，Mt）的增加而線性增加（不是對(duì)數(shù)增加）。

對(duì)于天線分集技術(shù)，由于不同通道傳輸數(shù)據(jù)相同切互不相關(guān)所以，在射頻方案的設(shè)計(jì)上與普通的方案設(shè)計(jì)沒(méi)有什么區(qū)別。

MIMO技術(shù)主要分為分集與復(fù)用，分集技術(shù)通信容量的提升有限，分集的容量提升主要體現(xiàn)在信噪比的提升。 復(fù)用技術(shù)的提升體現(xiàn)通信容量的成倍增加。

空間復(fù)用從工作方式上分為：半雙工和全雙工 半雙工就是我們常說(shuō)的TDD，收發(fā)頻率相同，收發(fā)不同時(shí)，因此射頻方案的設(shè)計(jì)不需要考慮自干擾的問(wèn)題；方案設(shè)計(jì)相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單。下圖是一個(gè)典型的TDD 4*4MIMO的收發(fā)系統(tǒng)。

?

全雙工也分為FDD與完全全雙工，F(xiàn)DD顧名思義收發(fā)頻率不相同，由于收發(fā)可能同時(shí)存在，在射頻方案設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮發(fā)射對(duì)接收的影響，一般來(lái)說(shuō)我們通過(guò)共址濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)FDD的寬帶噪聲抑制，由于收發(fā)處于同一時(shí)段，所以在濾波器的設(shè)計(jì)與選擇時(shí)，對(duì)濾波器的性能要求較高，假設(shè)發(fā)射功率33dBm，接收靈敏度-100dBm，那么就要求接收通道的濾波器對(duì)發(fā)射通道的抑制要達(dá)到133dBc. 對(duì)于FDD方案設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，單個(gè)濾波器沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)這么高的抑制，所以在方案的設(shè)計(jì)時(shí)，需要收發(fā)的中頻設(shè)計(jì)為不同的頻率，通過(guò)高性能雙工器加上高選擇性的中頻濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)板級(jí)的寬帶噪聲抑制。

下圖是一個(gè)集群FDD系統(tǒng)對(duì)雙工器的指標(biāo)技術(shù)要求。



不管是FDD還是TDD，由于空間復(fù)用方式定義不同通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不同，因此對(duì)射頻通道的幅度與相位都有著較高的要求，所以在上述兩種方案設(shè)計(jì)時(shí)，都需要考慮不同通道的幅度一致性與相位一致性進(jìn)行設(shè)計(jì)考。

一般而言我們通過(guò)數(shù)控衰減器與移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)通道的幅頻響應(yīng)控制。

第三種，完全全雙工，顧名思義，收發(fā)同頻同時(shí)。

這是5G大規(guī)模MIMO的一個(gè)重要的研究方向，這個(gè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)通信行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較先進(jìn)的技術(shù)，因?yàn)橥l同時(shí)，因此自干擾就不可避免的出現(xiàn)了。



解決自干擾模擬對(duì)消與數(shù)字對(duì)消。

在具體實(shí)施的過(guò)程中，可能不僅僅做一次相減即可，而需要做多次，如下面的框架圖



其中Hc,r(s)那里是第一次相減，即模擬相減，原因是在于，如果不減的話，那么由于本地的發(fā)送信號(hào)到接收信號(hào)沒(méi)有距離上的衰減，所以很強(qiáng)，如果該信號(hào)再次經(jīng)過(guò)LNA（低噪聲放大器），那么信號(hào)是滿格，或者破壞LNA，所以需要第一次抵消自己的發(fā)送信號(hào)，相當(dāng)于一次粗過(guò)濾。

然后在數(shù)字解調(diào)部分，即Hc,d(s)那里做第二次相減，即數(shù)字相減，做一次細(xì)的過(guò)濾，從而解出對(duì)方的信號(hào)。

全雙工技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必然是一次顛覆性創(chuàng)新，射頻工程師也能在此技術(shù)崛起的過(guò)程中再次站上關(guān)鍵崗位，但是全雙工技術(shù)目前一直還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，華為早在2019年就已經(jīng)在打板驗(yàn)證全雙工技術(shù)，但是目前為止，也沒(méi)有推向市場(chǎng)。

審核編輯：劉清