什么是MIMO？为什么要用MIMO？MIMO的形式？

什么是MIMO？

MIMO技术是指能在不增加带宽的情况下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。

它可以定义为发送端和接收端之间存在多个独立信道，也就是说天线单元之间存在充分的间隔，因此，消除了天线间信号的相关性，提高了信号的链路性能，增加了数据吞吐量。



在设计上，MIMO是5g和WiFi-6的核心技术所在，多组天线的收发，能够保障稳定的信息传输和更大的信道容量，使得网速大大提升。

为什么要用MIMO？

先来介绍一下传输理论公式：



从公式我们都知道，要想接收功率大，只有以下几种方法：增大发射功率，增大发射、接收天线增益，增大波长，减小通信距离。

从实际应用中，为了保证通信容量，低频段很难保证；缩短通信距离意味着需要更多的基站；增大发射功率意味着成本指数级增长，同时由于无委会的限制，好多公网频段的发射功率都有限制；最终结果就只有一个，增大接收天线和发射天线的增益。

但是单天线的增益不是无限增加的，这里就不得不引入一个新概念-波束赋形。

波束赋形也可以看作是一个空间的高级滤波器，把天线辐射的能量集中起来。这一特殊功能形成特定的波束并通过波束进行数据传输。



单天线的增益没有办法无限增加，但是可以通过多天线赋型实现增益的提升。

MIMO的形式？

MIMO主要使用了两种关键技术：空间分集和空分复用。不管是分集技术还是复用技术，都是把一路数据变成多路数据的技术，可以归为空时编码技术。

空间分集，又被称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集形式，它既可以用于移动台，也可以用于基站，或者同时应用于两者。

空间分集基于这样一个事实:在移动台端，如果天线间的相隔距离等于或者大于半个波长，或者在基站端分集天线间的相隔距离大于一定值(通常是几十个波长)，那么不同的分集天线上收到的信号包络将基本上是不相关的。

空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道（MIMO子信道）发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。

这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量一种非常有效的手段。



其实简单理解也就是空间分集不同通道中传输的是相同的数据。

有效降低了多径效应的影响。

空间复用不同通道中传输的是不同的数据。

大大增加了信道容量。  

MIMO的本质就是一种复杂的分集技术，它通过空间复用和空间分集这两种方式来提高信息传输速率或改善系统性能。

空间分集是为了提高系统的鲁棒性，而空间复用更多的是为了提高系统的吞吐量；这两种技术都可以有效的提高信号增益。



今天我们重点来了解一下分集技术。

空间分集（又叫做天线分集），指将同一信息进行编码后从多指将同一信息进行编码后从多根天线上发射出去的方式，接收端将信号区分出来并进行合并，从而获得分集增益。

空间分集技术经常用于城市蜂窝系统中，它可以通过选择最好的接收信号或其合成信号以减少衰落的影响。

分集的基本思想是将接收到的多径信号分离成不相关的（独立的）多路信号，然后把这些多路信号分离信号的能量按一定的规则合并起来，使接收到的有用信号能量最大，进而提高接收信号的信噪比。

因此，分集接收包括两个方面的内容：一是如何把接收的多径信号分离出来使其互不相关，二是将分离出来的多径信号恰当合并，以获得最大信噪比。

在空间分集系统模型中，当发射天线间距大于长度d时，我们可以认为不同子信道的信道增益相互独立，产生的信号路径也是不相关的，d是与天线所处的散射环境和载波频率有关的常数（通常我们认为d大于1/2的波长）。  

那么MIMO天线分集是不是天线越多越好？ 香农给出了单发射天线、单接收天线的SISO无线信道的极限容量公式：



B为信道带宽，S/N为接收端信噪比。

由香农公式，提高SNR或带宽可以增加无线信道容量。但发射功率P和带宽都是有一定限度的。在一定带宽条件下，SISO无论采用什么样的编码和调制方式，系统容量都不可能超过香农公式极限。

目前广泛使用的Turbo码、LDPC码，使信道容量逼近了信道容量极限。

但多天线的情况下，信道容量随着接收天线数量Mr的增加而增加，两者为对数关系；信道容量也随着发射天线数量Mt的增加而增加，两者也为对数关系； 也就是说发射分集和接受分集可以改善接收端的信噪比，从而提高信道容量和频谱效率，但对信道容量的提升也是有限的，仅为对数关系。

MIMO系统容量会随着发射端或接收端天线数中较小的一方min（Mr，Mt）的增加而线性增加（不是对数增加）。

对于天线分集技术，由于不同通道传输数据相同切互不相关所以，在射频方案的设计上与普通的方案设计没有什么区别。  

MIMO技术主要分为分集与复用，分集技术通信容量的提升有限，分集的容量提升主要体现在信噪比的提升。 复用技术的提升体现通信容量的成倍增加。

空间复用从工作方式上分为：半双工和全双工 半双工就是我们常说的TDD，收发频率相同，收发不同时，因此射频方案的设计不需要考虑自干扰的问题；方案设计相对而言比较简单。下图是一个典型的TDD 4*4MIMO的收发系统。

 

全双工也分为FDD与完全全双工，FDD顾名思义收发频率不相同，由于收发可能同时存在，在射频方案设计时需要考虑发射对接收的影响，一般来说我们通过共址滤波器来实现FDD的宽带噪声抑制，由于收发处于同一时段，所以在滤波器的设计与选择时，对滤波器的性能要求较高，假设发射功率33dBm，接收灵敏度-100dBm，那么就要求接收通道的滤波器对发射通道的抑制要达到133dBc. 对于FDD方案设计来说，单个滤波器没有办法实现这么高的抑制，所以在方案的设计时，需要收发的中频设计为不同的频率，通过高性能双工器加上高选择性的中频滤波器来实现板级的宽带噪声抑制。

下图是一个集群FDD系统对双工器的指标技术要求。



不管是FDD还是TDD，由于空间复用方式定义不同通道传输的数据不同，因此对射频通道的幅度与相位都有着较高的要求，所以在上述两种方案设计时，都需要考虑不同通道的幅度一致性与相位一致性进行设计考。

一般而言我们通过数控衰减器与移相器来实现对通道的幅频响应控制。

第三种，完全全双工，顾名思义，收发同频同时。

这是5G大规模MIMO的一个重要的研究方向，这个技术在国内通信行业来说是一个比较先进的技术，因为同频同时，因此自干扰就不可避免的出现了。



解决自干扰模拟对消与数字对消。

在具体实施的过程中，可能不仅仅做一次相减即可，而需要做多次，如下面的框架图



其中Hc,r(s)那里是第一次相减，即模拟相减，原因是在于，如果不减的话，那么由于本地的发送信号到接收信号没有距离上的衰减，所以很强，如果该信号再次经过LNA（低噪声放大器），那么信号是满格，或者破坏LNA，所以需要第一次抵消自己的发送信号，相当于一次粗过滤。

然后在数字解调部分，即Hc,d(s)那里做第二次相减，即数字相减，做一次细的过滤，从而解出对方的信号。

全双工技术的实现必然是一次颠覆性创新，射频工程师也能在此技术崛起的过程中再次站上关键岗位，但是全双工技术目前一直还停留在实验室阶段，华为早在2019年就已经在打板验证全双工技术，但是目前为止，也没有推向市场。  

审核编辑：刘清