淺談mimo技術(shù)及分類

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(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、被視為下一代移動通信的核心技術(shù)。

　　MIMO技術(shù)最早是由馬可尼于1908年提出的，它利用發(fā)射端的多個天線各自獨立發(fā)送信號，同時在接收端用多個天線接收并恢復(fù)原信息，就可以實現(xiàn)以更小的代價達到更高的用戶速率。

　　mimo技術(shù)

　　優(yōu)點

　　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，并能夠增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。

　　無線電發(fā)送的信號被反射時，會產(chǎn)生多份信號。每份信號都是一個空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個空間流。MIMO 允許多個天線同時發(fā)送和接收多個空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空間方位的信號。多天線系統(tǒng)的

　　應(yīng)用，使得多達 min（Nt，Nr）的并行數(shù)據(jù)流可以同時傳送。同時，在發(fā)送端或接收端采用多天線，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Nt*Nr。

　　老接入點到老客戶端 - 只發(fā)送和接收一個空間流

　　MIMO

　　MIMO 接入點到 MIMO 客戶端 - 同時發(fā)送和接收多個空間流

　　MIMO

　　可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(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。實現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實驗室的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，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF算法簡單容易實現(xiàn)，但是對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)域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼?？諘r碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現(xiàn)一定的空間分集和時間分集，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，對于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。傳輸信息流s（k）經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流ci（k），I=1，……，N。這N個子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。

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

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

　　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。對于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出（MIMO）系統(tǒng)，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，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，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。相對而言，多入多出對于提高無線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。 理論容量與天線數(shù)關(guān)系：

　　圖4-4

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

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

　　2．發(fā)射天線和接收天線的數(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的接收天線數(shù)量 都為4，以發(fā)射天線數(shù)量 為橫軸，信噪比分別為0dB、5dB、10dB、15dB。從這四條不同的曲線我們可以得出結(jié)論：

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

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

　　MIMO技術(shù)分類

　　在移動通信系統(tǒng)中，我們可以利用多天線來抑制信道衰落，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，使信號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。

　　（1）SISO是采用單天線發(fā)送和單天線接收的方式，如下圖所示。由香農(nóng)定理可知，理論上單天線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是采用多天線發(fā)送和單天線接收的方式，如下圖所示。下行方向上使用MISO時，表示基站采用多天線進行發(fā)射，基站所服務(wù)的所有終端用戶都能獲得發(fā)射分集增益，并且鏈路容量隨著天線數(shù)目的增加而以對數(shù)方式提升。根據(jù)天線發(fā)射信號的不同，MISO包括以下兩種類型：《1》發(fā)射分集 多根天線都發(fā)送相同的信號。發(fā)射天線相互靠近時，接收側(cè)接收到的信號較強。但是由于天線位置較近，所以通路間相關(guān)性比較大，從而限制了分集增益?！?》空時塊編碼 多根天線不僅發(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是采用單天線發(fā)送和多天線接收的方式，如下圖所示。這種方式下，基站所服務(wù)的所有終端用戶都能夠獲得接收分集增益，并且鏈路容量隨著天線數(shù)目的增加而以對數(shù)方式提升。由于不同路徑上的接收信號具有不同的空間特性和特征，因此，接收機可以采用交換分集或者最大比合并方式進行接收，以便獲取最大的SNR.

　?。?）MIMO是采用多天線發(fā)送和多天線接收的方式，如下圖所示。MIMO可以看成是雙天線分集的擴展，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多個不同的數(shù)據(jù)流進行調(diào)制。MIMO系統(tǒng)中收發(fā)端各有多根天線，發(fā)射機和接收機之間采用不同天線配置的組合，可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率，同時也可以提高系統(tǒng)容量。

　　根據(jù)實現(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)和開環(huán)兩種類型。

　?。?）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)過編碼后調(diào)制到多根發(fā)射天線上進行發(fā)送。由于不同空間信道間具有獨立的衰落特性，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。

　　（2）空間分集指將同一信息進行正交編碼后從多根天線上發(fā)射出去的方式。接收端將信號區(qū)分出來并進行合并，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)致的符號錯誤率，使傳輸可靠性和覆蓋面增加。分集技術(shù)主要用來對抗信道衰落。

　?。?）波束賦形是通過對信道的準(zhǔn)確估計，采用多根天線產(chǎn)生一個具有指向性的波束，將信號能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，從而提升信號質(zhì)量，降低用戶見的干擾。

　?。?）接收端不反饋任何信息給發(fā)射端，因而發(fā)射端無法了解信道狀態(tài)信息時，信息的傳輸方式稱為開環(huán)傳輸模式。開環(huán)傳輸模式下，接收端沒有任何信息反饋給發(fā)射端，因而功率在發(fā)射端各天線平均分配。

　?。?）接收端給發(fā)射端進行信息反饋，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)成為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，MIMO技術(shù)將越來越多地應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)。在無線寬帶移動通信系統(tǒng)方面，第3代移動通信合作計劃（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)。在無線寬帶接入系統(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)。在其他無線通信系統(tǒng)研究中，如超寬帶（UWB）系統(tǒng)、感知無線電系統(tǒng)（CR），都在考慮應(yīng)用MIMO技術(shù)。

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