通俗易懂的MIMO技术简介.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流通俗易懂的MIMO技术简介.精品文档.通俗易懂的MIMO技术简介MIMO概述MIMO技术已经广泛应用在许多现代通信标准中，特别是消费领域。原因是相对于SISO，MIMO技术有很明显的优势。MIMO是多路输入多路输出的意思，指的是当一个报文在发射端被一根或者多跟天线传输，而在接收侧被一根或者多根天线接收的情况。与之比对的是单输入单输出（SISO），SISO指发送和接收都用1根天线，而另外有种说法叫单输入多输出（SIMO），SIMO指发送用一根，接收有多根天线。可能有人会对SIMO的输入和输出定义有点奇怪，其实这是因为当初在贝尔实验室最开始定义这

2、个名称时，工程师在发送和接收侧都是分别测试的，而不是整个无线链路测试，因此他们把“IN”定义为发送功能，“OUT”定义为了接收，一直沿用至今。什么是多天线技术？在发送和接收侧的多天线引入了信号自由度的概念，这在SISO系统是没有的。这里的自由度主要指的是空间自由度。这种空间自由度可以被定义三种，分别为“分集”，“复用”或者这两种的组合。分集（diversity）简单点来说，分集意味着重复：举个例子，多根天线接收同一个信号，就代表发射分集。由于每根天线在接收数据时也接收到了各自的噪声，但由于各个噪声的不相关性，合并多个天线信号能够消除部分噪声，从而得质量更好的信号。打个比方，如果从两个不同的方面

3、来看同一个物件，那么得到的评价也会更可靠。需要说明的是，分集并不一定要多个接收天线才能实现，后面就会讲到，分集也可以使用多个发送天线通过空时编码（STC）技术来实现。空间复用（Spatial Multiplexing）第二个主要的MIMO技术为空间复用，空间复用可以在不增加带宽和发送功率的情况下通过成对的MIMO发送、接收来增加系统吞吐量。空间复用增加的吞吐量与发送或接收天线数目（较少的那个）成线性关系。空间复用中，每个传输天线发送不同的bit流信息，每个接收天线收到来自所有传输天线的线性综合信息。这样，整个无线信道构成一个矩阵，由发射和接收天线阵列组成，反射和散射等信道传输因素也考虑在里面。

4、而当这个MIMO系统在一个散射特别强的环境中运行时，信道矩阵就可逆，（这是因为丰富的散射让矩阵行列不相关），这样接收译码出来的信号就有多路增益。总结：分集可以获得信号增益，而空间复用能够提升系统吞吐量。需要说明的是，MIMO系统中需要权衡分集和复用所能带来的增益，一个典型的MIMO系统，根据无线信道条件可以自动的找到分集和复用曲线的均衡点。MIMO技术现代MIMO技术中，使用较多和较为成熟的就是波束成形、空时编码以及空间复用技术。特征波束成形（Eigen-Beamforming）在传输和接收端都可以使用特征波束成形（Eigen-Beamforming）。通常情况下，我们使用高增益的定向天线，可

5、以增强系统的增益。但特征波束成形技术可以获得相同的增益，同时不需要考虑天线的方向和周边环境散射等因素。提到特征波束成形，很多人都想到了军用的相控阵雷达系统，相控阵系统将许多天线组成一个天线簇，然后通过控制天线簇的方位，针对某个方向形成发送或者接收的“波束”。相控阵看上去很高大上，因为它用来很多非常昂贵的军事系统中，但实际上它就是实现了现代MIMO技术中较为简单的波束成形的功能。相控阵系统通过有限的相位偏移和合并多个模拟域信号来完成波束成形，存在几个不足，首先是它的性能增益随着带宽的增加而减少，另外就是它只能实现视距条件下的波束成形，非视距情况下的散射和反射都会导致信号急剧衰减。而MIMO特征波

6、束成形是从数字域对所有天线的信号进程处理，使用了最为成熟的数字信号处理技术，甚至MIMO特征波束成形可以单独处理每个OFDM窄带子载波。MIMO系统的波束成形就是特征波束成形，它不是简单局限在一个三维空间内塑造一个波束，也不会被散射和多径反射所干扰。当一个特征波束成形器从有效天线方向图上面接收到的一个非视距的、带有多种反射的信号时，特征波束成型器就根据收到信号进行处理，从各路反射上获得多路增益。空时编码技术（Space-Time Coding）在多天线的发射端采用空时编码技术，可以让单接收天线获得和多接收天线相同的增益。空时编码技术将原本在单天线上传输的信号，通过信号处理手段得到数学变化后的信

7、号，再让额外的天线来发送这些信号，这样可以提高接收端从噪声中提取有用信号的能力。空时编码是波束成形或者分集接收的很好对端匹配。举个例子，车载无线设备一般都有四根天线，而手持型设备一般只有1到2根天线。如果手持设备通过单天线传输，车载设备可以通过接收分集或者波束成形来增加接收增益。反过来，空时编码可以让车载设备通过四根天线发射数据，手持型设备单天线接收空时编码后的数据也能有产生增益。这样使得链路更加对称，同时也保证了双向通信。空间复用技术（Spatial Multiplexing）空间复用技术，是比较难理解的MIMO技术。这种MIMO技术在不同的天线，同一的频点上传输多个独立的数据流。接收端必须

8、使用不少于数据流数目的接收天线才能译码正确，这样在频点资源一定的情况下能提高整个系统的吞吐量。4x4的MIMO系统，最多能同时支持4个数据流，这样他的吞吐量是同样带宽的SISO系统的4倍。假设我们有四个数据流需要传输（A,B,C和D），这些数据流在空间叠加到达接收端后变成（wA+xB+yC+zD），这里x，y，w和z分别代表每根天线上由于多径导致的信道变化。接收端可以通过线性代数的方法，解一个四元四次方程组，从而恢复A，B，C和D四个原始值。MIMO空间复用技术有个优点，那就是在不降低链路稳定性的情况下提高频谱利用率，就入同使用了高阶星座图解调一样。例如，相同的信道下，假设MIMO系统中2个数据流配合使用16QAM和相当文档的FEC编码率就可以达到4 bits/sec/Hz，SISO系统就需要64QAM外加不太稳定的FEC码率才能达到，这就会极大的限制他的使用范围并要求提高更高的传输功率。上面的技术中，无论是使用一个还是多个，都可以降低发射功率，扩大覆盖范围，增强抗干扰能力或者提升吞吐量。