浅谈mimo技术及分类

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

　　MIMO技术最早是由马可尼于1908年提出的，它利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息，就可以实现以更小的代价达到更高的用户速率。

　　mimo技术

　　优点

　　MIMO 技术的应用，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增加无线系统的覆盖范围。

　　无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出（SISO）的系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。多天线系统的

　　应用，使得多达 min（Nt，Nr）的并行数据流可以同时传送。同时，在发送端或接收端采用多天线，可以显著克服信道的衰落，降低误码率。一般的，分集增益可以高达Nt*Nr。

　　老接入点到老客户端 - 只发送和接收一个空间流

　　

　　MIMO

　　MIMO 接入点到 MIMO 客户端 - 同时发送和接收多个空间流

　　

　　MIMO

　　可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的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算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 潜力

　　通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流s（k）经过空时编码形成N个信息子流ci（k），I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

　　特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。

　　MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

　　系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=［min（M，N）］Blog2（ρ/2） 其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min（M，N）为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。 理论容量与天线数关系：

　　

　　图4-4

　　（1）图4-4所示的四条信道容量曲线的发射天线数量 都为4，以接收天线数量 为横轴，信噪比依次为0dB、5dB、10dB、15dB。从这四条不同的曲线我们可以得出结论：

　　1．发射天线数量一定，信噪比不变时信道容量随着接收天线数的增多而增大，且增大的幅度越来越小。

　　2．发射天线和接收天线的数量均相同，信道容量随信噪比的增大而增大。

　　（2）图4-5所示的四条信道容量曲线的接收天线数量 都为4，以发射天线数量 为横轴，信噪比分别为0dB、5dB、10dB、15dB。从这四条不同的曲线我们可以得出结论：

　　1．接收天线数量一定，信噪比不变时信道容量随着发射天线数的增多而增大，增大的幅度会越来越小。

　　2．当发射天线数大于接收天线数时，信道容量增大的幅度会大幅度减缓，当 》10以后，信道容量基本上就没有多大变化。 由上述结论我们可以看到信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以在不增加带宽和天线发送功率的情况下利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，证明了MIMO信道系统理论的正确性

　　MIMO技术分类

　　在移动通信系统中，我们可以利用多天线来抑制信道衰落，以提高系统容量、覆盖面和数据传输速率等性能。MIMO（Multiple Input Multiple Ouput，多输入多输出）就是典型的多天线技术，它最早是由Marconi于1908年提出的，是指在发送端或接收端采用多根天线，使信号在空间获得阵列增益、分集增益、复用增益和干扰抵消等，从而得到更大的系统容量、更广的覆盖面和更高的数据传输速率。由于MIMO可以在不需要增加频谱资源和天线发射功率的情况下大幅地增加系统的数据吞吐量以及传送距离，使得此技术于最近几年受到许多瞩目。

　　根据收发天线数目的不同，MIMO系统可以分为SISO（SingleInput SingleOutput 单输入单输出）、MISO（MultipleInput SingleOutput 多输入单输出）、SIMO（SingleInput MultipleOutput 单输入多输出）、MIMO以及协作MIMO等多种方式。

　　（1）SISO是采用单天线发送和单天线接收的方式，如下图所示。由香农定理可知，理论上单天线的信息容量受限于链路的SNR，容量每增加1bit/s/Hz，发射功率就需要增加一倍，比如从1bit/s/Hz增加到11bit/s/Hz，发射功率就必须增加约1000倍。

　　

　　（2）MISO是采用多天线发送和单天线接收的方式，如下图所示。下行方向上使用MISO时，表示基站采用多天线进行发射，基站所服务的所有终端用户都能获得发射分集增益，并且链路容量随着天线数目的增加而以对数方式提升。根据天线发射信号的不同，MISO包括以下两种类型：《1》发射分集 多根天线都发送相同的信号。发射天线相互靠近时，接收侧接收到的信号较强。但是由于天线位置较近，所以通路间相关性比较大，从而限制了分集增益。《2》空时块编码 多根天线不仅发送相同的信息，还发送具有相关性的不同数据块，这样不仅能够提升数据传输速率，也能够显著增加覆盖面和传输可靠性。

　　

　　（3）SIMO是采用单天线发送和多天线接收的方式，如下图所示。这种方式下，基站所服务的所有终端用户都能够获得接收分集增益，并且链路容量随着天线数目的增加而以对数方式提升。由于不同路径上的接收信号具有不同的空间特性和特征，因此，接收机可以采用交换分集或者最大比合并方式进行接收，以便获取最大的SNR.

　　

　　（4）MIMO是采用多天线发送和多天线接收的方式，如下图所示。MIMO可以看成是双天线分集的扩展，而且有效使用了编码重用（Code Reuse）技术，即用相同的信道编码和扰码对多个不同的数据流进行调制。MIMO系统中收发端各有多根天线，发射机和接收机之间采用不同天线配置的组合，可以大大提高数据传输速率，同时也可以提高系统容量。

　　

　　根据实现方式的不同，MIMO可以分为空间复用、空间分集、波束赋形等类型；根据接收端是否反馈信息状态信息，MIMO可以分为闭环和开环两种类型。

　　（1）空间复用指系统将高速数据流分成多路低速数据流，经过编码后调制到多根发射天线上进行发送。由于不同空间信道间具有独立的衰落特性，因此接收端利用最小均方误差或者串行干扰删除技术，就能够区分出这些并行的数据流。这种方式下，使用相同的频率资源可以获取更高的数据传输速率，意味着频谱效率和峰值速率都得到改善和提高。

　　（2）空间分集指将同一信息进行正交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。编码相当于在发射端增加了信号的冗余度，因此可以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，使传输可靠性和覆盖面增加。分集技术主要用来对抗信道衰落。

　　（3）波束赋形是通过对信道的准确估计，采用多根天线产生一个具有指向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提升信号质量，降低用户见的干扰。

　　（4）接收端不反馈任何信息给发射端，因而发射端无法了解信道状态信息时，信息的传输方式称为开环传输模式。开环传输模式下，接收端没有任何信息反馈给发射端，因而功率在发射端各天线平均分配。

　　（5）接收端给发射端进行信息反馈，发射端就可以了解全部或者部分信道状态信息，信息的传输方式称为闭环传输模式。闭环传输模式下，发射端需要从接收端得到下行信道状态的反馈，构成反馈信道，也将依次在各数据流间调整发射功率。

　　MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划（3GPP）已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容，B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中，正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中，如超宽带（UWB）系统、感知无线电系统（CR），都在考虑应用MIMO技术。

　　摩尔实验室（MORLAB）在通信测试认证方面积累了丰富的经验，摩尔实验室技术人员也会紧跟技术变更的步伐，定期将我们的心得总结成文，供大家参考。