MIMO技术的介绍

MIMO的介绍

MIMO即多入多出技术（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。

　　二、MIMO技术分类

　　空分复用

　　（spatial multiplexing）工作在MIMO天线配置下，能够在不增加带宽的条件下，相比SISO系统成倍地提升信息传输速率，从而极大地提高了频谱利用率。在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同，即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度，使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别，因此接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源。空间复用技术在高信噪比条件下能够极大提高信道容量，并且能够在“开环”，即发射端无法获得信道信息的条件下使用。Foschini等人提出的“贝尔实验室分层空时”（BLAST）是典型的空间复用技术。

　　空间分集

　　（spatial diversity）：利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途径发送相同的资料，以增强资料的传输品质。

　　波束成型（beamforming）：借由多根天线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在欲传输的方向，增加信号品质，并减少与其他用户间的干扰。

　　预编码

　　（precoding）：预编码主要是通过改造信道的特性来实现性能的提升。

　　以上 MIMO 相关技术并非相斥，而是可以相互配合应用的，如一个 MIMO 系统即可以包含空分复用和分集的技术。

　　三、MIMO技术优点

　　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。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。

　　提高信道的容量

　　MIMO接入点到MIMO客户端之间，可以同时发送和接收多个空间流，信道容量可以随着天线数量的增大而线性增大，因此可以利用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。

　　提高信道的可靠性

　　利用MIMO信道提供的空间复用增益及空间分集增益，可以利用多天线来抑制信道衰落。多天线系统的应用，使得并行数据流可以同时传送，可以显著克服信道的衰落，降低误码率。

　　四、MIMO技术三种应用模式

　　1 发射分集的空时编码

　　基于发射分集技术的空时编码主要有2种，即空时分组码（STBC）和空时格码（STTC）。虽然空时编码方案不能直接提高数据率，但是通过这些并行空间信道独立、不相关地传输信息，从而使信号在接收端获得分集增益，为数据实现高阶调制创造条件。

　　2 空间复用

　　系统将数据分割成多份，分别在发射端的多个天线上发射出去，接收端接收到多个数据的混合信号后，利用不同空间信道间独立的衰落特性，区分出这些并行的数据流。从而达到在相同的频率资源内获取更高数据速率的目的。空间复用与发射分集技术不同，它在不同天线上发射不同信息。

　　3 波束成型技术

　　波束成型技术又称为智能天线，通过对多个天线输出信号的相关性进行相位加权，使信号在某个方向形成同相叠加，在其他方向形成相位抵消，从而实现信号的增益。

　　五、MIMO技术作用

　　MIMO直译就是多输入多输出。传统的11g技术，只用1根天线完成信号的发射和接收，而11n技术则可以通过多根天线将信号成倍的发射和接收，大幅提高了信号的传输速度。此外，MIMO技术还有利于信号的稳定，增强发送和接收的信号强度。

　　六、MIMO技术的应用

　　MIMO技术在3G的应用

　　随着移动分组业务的流量不断增加，人们对移动通信空口带宽的需求也不断增加。为此LTE选择了MIMO等技术以实现高带宽的目标。由于LTE还需要一个较长的周期才能实现商用，加之部署WCDMA网络已经耗费了运营商大量的投资，因此HSPA+作为一个过渡技术诞生了。HSPA+吸收了LTE中不少先进技术，MIMO就是其中重要的一环。综合使用空间复用技术和空时编码技术，使得MIMO能够在不同的使用场景下都发挥出良好的效果，3GPP组织也正是因为这一点，将MIMO技术纳入了HSPA+标准（R7版本）。出于成本及性能的综合考虑，HSPA+中的MIMO采用的是2×2的天线模式：下行是双天线发射，双天线接收；上行为了降低终端的成本，缩小终端的体积，采用了单天线发射。也就是说，MIMO的效用主要只是用在下行，上行只是进行传输天线选择。HSPA+中，MIMO规定了下行的Precoding预编码［2］。矩阵，包括4种形式：

　　（1） 空间复用（Spatial multiplexing）； （2） 空时块码（Space Time Block Coding）； （3） 波束成型（Beam Forming）；

　　（4） 发射分集（Transmit Diversity）。

　　在实际使用中，由基站根据无线环境的不同自动选择使用。在HSPA+上行方面，MIMO 2 技术有两种天线选择方案：开环和闭环。

　　1.开环方案即TSTD（时分切换传输分集），上行数据轮流在天线间交替发送，从而避免单条信道的快衰落，如图1所示。

　　图1 开环天线选择方案

　　2.闭环方案中，终端必须从不同的天线发送参考符号，由基站进行信道质量测量，然后选择信道质量好的天线进行数据发送，如图2所示。

　　图2 闭环天线选择方案

　　MIMO技术能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。作为MIMO技术的发明者，阿尔卡特朗讯首先提出将MIMO技术加入3GPP标准，并积极推动MIMO技术在HSPA+的应用。我们相信MIMO技术必将在未来的移动网络中占据重要的位置。