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MIMO,，MIMO是什么意思？什么是MIMO無線通信技術(shù),？

MIMO(多輸入多輸出)系統(tǒng)是考慮用于802.11n的技術(shù).82.11n是802.11標(biāo)準(zhǔn)的下一代,，可以將吞吐量提升到100Mbps,。同時，專有的MIMO技術(shù)可以提高現(xiàn)有802.11a/b/g網(wǎng)絡(luò)的性能,。這項技術(shù)由馬可尼在1908年首次提出,，它使用多個天線來抑制信道衰落。根據(jù)發(fā)射端和接收端的天線數(shù)量,，與常見的SISO(單輸入單輸出)系統(tǒng)相比,，MIMO還可以包括SIMO(單輸入多輸出)系統(tǒng)和MISO(多輸入單輸出)系統(tǒng)。

1.MIMO概述

多用戶多輸入多輸出圖

MIMO代表多輸入多輸出,。讀/maimo/or/mimo/,，通常美國人讀前者，英國人讀后者,，很多這方面的國際專家讀/maimo/,。通常用于IEEE 802.11n，但也可用于其他802.11技術(shù),。MIMO有時也稱為空間分集,，因為它使用多個空間信道來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。只有當(dāng)工作站(移動設(shè)備)或接入點(AP)支持MIMO時,，才能部署MIMO,。

MIMO的優(yōu)勢在于可以增加無線覆蓋范圍，提高性能,。連接到舊的802.11g接入點的802.11n站可以以更高的速度連接到更遠(yuǎn)的距離,。例如，如果使用舊站點,，從25英尺的距離連接到接入點的速度是1Mbps而使用802.11n MIMO時,，該站速度為2Mbps。將范圍增加到2Mbps,，允許用戶在更遠(yuǎn)的距離保持連接,。

當(dāng)發(fā)射的信號被反射時，會產(chǎn)生多個信號,。每個信號都是一個空間流,。使用SISO的當(dāng)前或舊系統(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,。它允許天線同時發(fā)射和接收,。

舊接入點到舊客戶端僅發(fā)送和接收一個空間流

MIMO接入點到MIMO客戶端-同時發(fā)送和接收多個空間流

可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加,。也就是說,，利用MIMO信道可以成倍增加無線信道的容量，在不增加帶寬和天線發(fā)射功率的情況下,，成倍提高頻譜利用率,。

使用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MIMO信道提供的空間復(fù)用增益,，后者是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算法,、MMSE算法和ML算法。ML算法譯碼性能較好,，但復(fù)雜度相對較大,，無法滿足實時性要求較高的無線通信的要求。ZF算法簡單,，易于實現(xiàn),，但對信道的信噪比要求較高,。性能和復(fù)雜度最好的是BLAST算法,。該算法實際上是利用ZF算法和干擾消除技術(shù)得到的。目前,，MIMO技術(shù)領(lǐng)域的另一個研究熱點是空時編碼,。常見的空時碼包括空時分組碼和空時網(wǎng)格碼?？臻g編碼的主要思想是利用空時編碼實現(xiàn)一定的空間分集和時間分集,，從而降低信道誤碼率。

一般多徑會引起衰落,，所以被視為有害因素,。然而，研究結(jié)果表明,，多徑可以作為MIMO系統(tǒng)的一個有利因素,。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端都采用多天線(或陣列天線)和多信道。MIMO MIMO針對的是多徑無線信道,。傳輸信息流s(k)被空時編碼以形成n個信息子流ci(k),，I=1，n個子流由n個天線發(fā)射,，并在通過空間信道后由m個接收天線接收,。多天線接收機可以通過使用先進的空時編碼過程來分離和解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳處理,。

特別是這n個子流同時發(fā)送到信道,，每個發(fā)送的信號占用相同的頻帶，所以帶寬沒有增加,。如果發(fā)射和接收天線之間的信道響應(yīng)是獨立的,，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)建多個并行的空間信道,。通過這些獨立傳輸信息

MIMO多徑無線信道隨著發(fā)射和接收而整體優(yōu)化，以達到較高的通信容量和頻譜利用率,。這是一種接近最優(yōu)空時聯(lián)合的分集和干擾抵消處理,。

系統(tǒng)容量是通信系統(tǒng)最重要的標(biāo)志之一，它表示通信系統(tǒng)的最大傳輸速率,。對于具有N個發(fā)射天線和M個接收天線的MIMO系統(tǒng),，假設(shè)信道是獨立的瑞利衰落信道，并且N和M都很大,，則信道容量C近似為：C=[min(M,，N)]Blog2(/2)

其中b是信號帶寬，是接收端的平均信噪比,，min(M,，N)是M和N中較小的一個，公式表明,，當(dāng)功率和帶寬固定時,，MIMO系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨著最小天線數(shù)的增加而線性增加。然而,，在相同條件下,，在接收端或發(fā)射端具有多個天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)的容量僅隨著天線數(shù)量的對數(shù)增加而增加。相對而言,，MIMO在提高無線通信系統(tǒng)的容量方面有著巨大的潛力,。

2.MIMO發(fā)展歷史

在20世紀(jì)90年代，全世界的無線通信領(lǐng)域都在研究多天線系統(tǒng),，希望實現(xiàn)可以指向接收機的波束形成技術(shù),。

波束成型技術(shù)的缺點乃是在都市的環(huán)境中，信號容易朝向建筑物或移動的車輛等目標(biāo)分散,，因而模糊其波束的集中特性(即相長干涉),，喪失多數(shù)的信號增益及減少干擾的特性。然而此項缺點卻隨著空間分集及空間多工的技術(shù)在 1990 年代末的發(fā)展,，而突然轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢,。這些方法利用多徑(multipath propagation)現(xiàn)象來增加資料吞吐量、傳送距離,，或減少比特錯誤率,。這些型態(tài)的系統(tǒng)在選擇實體的天線間距時，通常以大于被發(fā)送信號的波長的距離為實作,，以確保 MIMO 頻道間的低關(guān)聯(lián)性及高分集階數(shù)(diversity order),。[1][2]

3、MIMO 技術(shù)

MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復(fù)用。傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落,。具有相同信息的信號通過不同的路徑被發(fā)送出去,，在接收機端可以獲得數(shù)據(jù)符號多個獨立衰落的復(fù)制品，從而獲得更高的接收可靠性,。舉例來說,，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線n根接收天線,，發(fā)送信號通過n個不同的路徑,。如果各個天線之間的衰落是獨立的，可以獲得最大的分集增益為n,，平均誤差概率可以減小到 ,，單天線衰落信道的平均誤差概率為 。對于發(fā)射分集技術(shù)來說,，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性,。在一個具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落,，可以獲得的最大分集增益為mn,。智能天線技術(shù)也是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束,，從而有效的提高天線增益,，降低用戶間的干擾,。廣義上來說,，智能天線技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)。

分集技術(shù)主要用來對抗信道衰落,。相反,，MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來增加通信中的自由度(degrees of freedom)。從本質(zhì)上來講,，如果每對發(fā)送接收天線之間的衰落是獨立的,，那么可以產(chǎn)生多個并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流,，可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率,，這被成為空間復(fù)用。需要特別指出的是在高SNR的情況下,，傳輸速率是自由度受限的,，此時對于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對之間是獨立均勻分布的瑞利衰落的,。

根據(jù)子數(shù)據(jù)流與天線之間的對應(yīng)關(guān)系,，空間多路復(fù)用系統(tǒng)大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST,。

D-BLAST最先由貝爾實驗室的Gerard J. Foschini提出,。原始數(shù)據(jù)被分為若干子流,，每個子流之間分別進行編碼，但子流之間不共享信息比特,，每一個子流與一根天線相對應(yīng),，但是這種對應(yīng)關(guān)系周期性改變，如圖1.b所示,，它的每一層在時間與空間上均呈對角線形狀,，稱為D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好處是,，使得所有層的數(shù)據(jù)可以通過不同的路徑發(fā)送到接收機端,，提高了鏈路的可靠性。其主要缺點是,，由于符號在空間與時間上呈對角線形狀,，使得一部分空時單元被浪費，或者增加了傳輸數(shù)據(jù)的冗余,。如圖1.b所示,，在數(shù)據(jù)發(fā)送開始時，有一部分空時單元未被填入符號(對應(yīng)圖中右下角空白部分),，為了保證D-BLAST的空時結(jié)構(gòu),，在發(fā)送結(jié)束肯定也有一部分空時單元被浪費。如果采用burst模式的數(shù)字通信,，并且一個burst的長度大于M(發(fā)送天線數(shù)目)個發(fā)送時間間隔 ,，那么burst的長度越小，這種浪費越嚴(yán)重,。它的數(shù)據(jù)檢測需要一層一層的進行,，如圖1.b所示：先檢測c0、c1和c2,，然后a0,、a1和a2，接著b0,、b1和b2

另外一種簡化了的BLAST結(jié)構(gòu)同樣最先由貝爾實驗室提出,。它采用一種直接的天線與層的對應(yīng)關(guān)系，即編碼后的第k個子流直接送到第k根天線,，不進行數(shù)據(jù)流與天線之間對應(yīng)關(guān)系的周期改變,。如圖1.c所示，它的數(shù)據(jù)流在時間與空間上為連續(xù)的垂直列向量,，稱為V-BLAST(Vertical-BLAST),。由于V-BLAST中數(shù)據(jù)子流與天線之間只是簡單的對應(yīng)關(guān)系，因此在檢測過程中，只要知道數(shù)據(jù)來自哪根天線即可以判斷其是哪一層的數(shù)據(jù),，檢測過程簡單,。

考慮到D-BLAST以及V-BALST模式的優(yōu)缺點，一種不同于D-DBLAST與V-BLAST的空時編碼結(jié)構(gòu)被提出：T-BLAST,。等文獻分別提及這種結(jié)構(gòu),。它的層在空間與時間上呈螺紋(Threaded)狀分布，如圖2所示,。原始數(shù)據(jù)流被多路分解為若干子流之后,，每個子流被對應(yīng)的天線發(fā)送出去，并且這種對應(yīng)關(guān)系周期性改變,，與D-BLAST系統(tǒng)不同的是,，在發(fā)送的初始階段并不是只有一根天線進行發(fā)送，而是所有天線均進行發(fā)送,，使得單從一個發(fā)送時間間隔 來看,，它的空時分布很像V-BALST，只不過在不同的時間間隔中,，子數(shù)據(jù)流與天線的對應(yīng)關(guān)系周期性改變,。更普通的T-BLAST結(jié)構(gòu)是這種對應(yīng)關(guān)系不是周期性改變，而是隨機改變,。這樣T-BLAST不僅可以使得所有子流共享空間信道,，而且沒有空時單元的浪費，并且可以使用V-BLAST檢測算法進行檢測,。

4,、MIMO 的研究狀況

在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面已有一批文獻，這些文獻涉及相當(dāng)廣泛的內(nèi)容,。但是由于無線移動通信MIMO信道是一個時變,、非平穩(wěn)多入多出系統(tǒng),，尚有大量問題需要研究,。比如說，各文獻大多假定信道為分段-恒定衰落信道,。這對于寬帶信號的4G系統(tǒng)及室外快速移動系統(tǒng)來說是不夠的,，因此必須采用復(fù)雜的模型進行研究。已有不少文獻在進行這方面的工作,，即對信道為頻率選擇性衰落和移動臺快速移動情況進行研究,。再有，在基本文獻中,，均假定接收機精確已知多徑信道參數(shù),，為此，必須發(fā)送訓(xùn)練序列對接收機進行訓(xùn)練。但是若移動臺移動速度過快,，就使得訓(xùn)練時間太短,，這樣快速信道估計或盲處理就成為重要的研究內(nèi)容。

另外實驗系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步,。實際系統(tǒng)研究的一個重要問題是在移動終端實現(xiàn)多天線和多路接收,，學(xué)者們正大力進行這方面的研究。由于移動終端設(shè)備要求體積小,、重量輕,、耗電小，因而還有大量工作要做,。目前各大公司均在研制實驗系統(tǒng),。

Bell實驗室的BLAST系統(tǒng)[4]是最早研制的MIMO實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9GHz,，發(fā)射8天線,，接收12天線，采用D-BLAST算法,。頻譜利用率達到了25.9bits/(Hz?s),。但該系統(tǒng)僅對窄帶信號和室內(nèi)環(huán)境進行了研究，對于在3G,、4G應(yīng)用尚有相當(dāng)大距離,。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng),，克服電波衰落的不良影響,。這是因為安排恰當(dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個空間信道，不會全部同時受到衰落,。在上述具體實驗系統(tǒng)中,，每一基臺各設(shè)置2副發(fā)送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設(shè)置1副發(fā)送天線和3副接收天線,，即下行通路設(shè)置2×3天線,、上行通路設(shè)置1×3天線。這樣與單輸入/單輸出天線SISO相比,，傳輸上取得了10～20dB的好處,，相應(yīng)地加大了系統(tǒng)容量。而且,，基臺的兩副發(fā)送天線于必要時可以用來傳輸不同的數(shù)據(jù)信號,，用戶傳送的數(shù)據(jù)速率可以加倍。

朗訊科技的貝爾實驗室分層的空時(BLAST)技術(shù)是移動通信方面領(lǐng)先的MIMO應(yīng)用技術(shù),，是其智能天線的進一步發(fā)展,。BLAST技術(shù)就其原理而言,，是利用每對發(fā)送和接收天線上信號特有的空間標(biāo)識，在接收端對其進行恢復(fù),。利用BLAST技術(shù),，如同在原有頻段上建立了多個互不干擾、并行的子信道,，并利用先進的多用戶檢測技術(shù),，同時準(zhǔn)確高效地傳送用戶數(shù)據(jù)，其結(jié)果是極大提高前向和反向鏈路容量,。BLAST技術(shù)證明,，在天線發(fā)送和接收端同時采用多天線陣，更能夠充分利用多徑傳播,，達到變廢為寶的效果,，提高系統(tǒng)容量。理論研究業(yè)已證明,，采用BLAST技術(shù),，系統(tǒng)頻譜效率可以隨天線個數(shù)成線性增長，也就是說,，只要允許增加天線個數(shù),，系統(tǒng)容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術(shù)有著非常大的潛力,。鑒于對于無線通信理論的突出貢獻,，BLAST技術(shù)獲得了2002年度美國ThomasEdison(愛迪生)發(fā)明獎。

2002年10月,，世界上第一顆BLAST芯片在朗訊公司貝爾實驗室問世,，貝爾實驗室研究小組設(shè)計小組宣布推出了業(yè)內(nèi)第一款結(jié)合了貝爾實驗室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技術(shù)的芯片，這一芯片支持最高4×4的天線布局,，可處理的最高數(shù)據(jù)速率達到19.2Mbps,。該技術(shù)用于移動通信，BLAST芯片使終端能夠在3G移動網(wǎng)絡(luò)中接收每秒19.2兆比特的數(shù)據(jù),，現(xiàn)在,，朗訊科技已經(jīng)開始將此BLAST芯片應(yīng)用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同時還計劃授權(quán)終端制造商使用該BLAST芯片,，以提高無線3G數(shù)據(jù)終端支持高速數(shù)據(jù)接入的能力,。

2003年8月，AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi芯片組,，并稱其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技術(shù)的批量上市產(chǎn)品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術(shù),，將現(xiàn)在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps,，同時保持與所有常用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的兼容性,。該產(chǎn)品集成兩片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF),，采用一種可伸縮結(jié)構(gòu),，使制造商可以只使用一片RF芯片實現(xiàn)單天線系統(tǒng)，或增加其他RF芯片提升性能,。該芯片支持所有的802.11 a,、b和g模式，包含IEEE 802.11工作組推出最新標(biāo)準(zhǔn)(包括TGi安全和TGe質(zhì)量的服務(wù)功能),。

Airgo的芯片組和目前的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)兼容,，支持802.11a, "b,"和"g"模式，使用三個5-GHz和三個2.4-GHz天線,，使用Airgo芯片組的無線設(shè)備可以和以前的802.11設(shè)備通訊,，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設(shè)備通訊的同時還可以以108Mbps的速度和Airgo的設(shè)備通訊。

5,、MIMO 的 應(yīng)用

為了提高系統(tǒng)容量,，下一代的無線寬帶移動通信系統(tǒng)將會采用MIMO技術(shù)，即在基站端放置多個天線,，在移動臺也放置多個天線,，基站和移動臺之間形成MIMO通信鏈路。應(yīng)用MIMO技術(shù)的無線寬帶移動通信系統(tǒng)從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類：一類是多個基站天線集中排列形成天線陣列,，放置于覆蓋小區(qū),，這一類可以稱為集中式MIMO;另一類是基站的多個天線分散放置在覆蓋小區(qū)，可以稱為分布式MIMO,。

MIMO技術(shù)可以比較簡單地直接應(yīng)用于傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng),，將基站的單天線換為多個天線構(gòu)成的天線陣列?；就ㄟ^天線陣列與小區(qū)內(nèi)的具有多個天線的移動臺進行MIMO通信,。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度看，這樣的MIMO系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單入單出(SISO)蜂窩通信系統(tǒng)相比并沒有根本的區(qū)別,。

傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗,，能夠在小區(qū)內(nèi)形成良好的系統(tǒng)覆蓋，解決小區(qū)內(nèi)的通信死角,，提高通信服務(wù)質(zhì)量,。最近在MIMO技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)與MIMO技術(shù)相結(jié)合可以提高系統(tǒng)容量,，這種新的分布式MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布式無線通信系統(tǒng)(DWCS)[8]成為MIMO技術(shù)的重要研究熱點,。

在采用分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)中，分散在小區(qū)內(nèi)的多個天線通過光纖和基站處理器相連接,。具有多天線的移動臺和分散在附近的基站天線進行通信,，與基站建立了MIMO通信鏈路,。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅具備了傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)的優(yōu)勢，減少了路徑損耗,，克服了陰影效應(yīng),，同時還通過MIMO技術(shù)顯著提高了信道容量。與集中式MIMO相比,，DWCS的基站天線之間距離較遠(yuǎn),，不同天線與移動臺之間形成的信道衰落可以看作完全不相關(guān)，信道容量更大,?？傮w上說，分布式MIMO系統(tǒng)的信道容量更大,，系統(tǒng)功耗更小,，系統(tǒng)覆蓋性能更好，系統(tǒng)具有更好的擴展性和靈活性,。

分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)也帶來了一些新問題,。移動臺和小區(qū)內(nèi)鄰近的天線建立的MIMO鏈路，由于基站不同天線的位置不同,，它們距離移動臺的距離不同,，使得基站端的多個天線的信號到達移動臺的延時也不同，因此帶來新的研究問題,。目前在這方面研究較多的是進行容量分析,。除此之外的研究內(nèi)容還包括：具體的同步技術(shù)、信道估計,、天線選擇,、發(fā)射方案、信號檢測技術(shù)等,，這些問題有待深入研究,。

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),。

隨著使用天線數(shù)目的增加,，MIMO技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜度大幅度增高,，從而限制了天線的使用數(shù)目，不能充分發(fā)揮MIMO技術(shù)的優(yōu)勢,。目前,，如何在保證一定的系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低MIMO技術(shù)的算法復(fù)雜度和實現(xiàn)復(fù)雜度，成為業(yè)界面對的巨大挑戰(zhàn),。

本文講解到此結(jié)束,，希望對大家有所幫助。