4G关键技术之MIMO

一、MIMO技术概述

MIMO(Multiple Input Multiple output)就是多输入多输出的意思。多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破。通常，多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素，然而，多天线技术却能将多径作为一个有利因素加以利用。MIMO技术利用空间中的多径因素，在发送端和接收端采用多个天线，如下图所示，通过空时处理技术实现分集增益或复用增益，充分利用空间资源，提高频谱利用率。

二、LTE系统中的MIMO模型

无线通信系统中通常采用如下几种传输模型:单输入单输出系统SISO、多输入单输出系统MISO、单输入多输出系统SIMO和多输入多输出系统MIMO。

在一个无线通信系统中，天线是处于最前端的信号处理部分。提高天线系统的性能和效率，将会直接给整个系统带来可观的增益。传统天线系统的发展经历了从单发/单收天线SISO，到多发/单收MISO，以及单发/多收SIMO天线的阶段。为了尽可能的抵抗这种时变-多径衰落对信号传输的影响，人们不断的寻找新的技术。采用时间分集(时域交织)和频率分集(扩展频谱技术)技术就是在传统SISo系统中抵抗多径衰落的有效手段，而空间分集（多天线）技术就是MISO、SIMO或MIMO系统进一步抵抗衰落的有效手段。

LTE系统中常用的 MIMO模型有下行单用户MIMO (SU-MIMO）和上行多用户MIMO (MU-MIMO)。

MU-MIMO(多用户MIMO):多个终端同时使用相同的时频资源块进行上行传输，其中每个终端都是采用1根发射天线，系统侧接收机对上行多用户混合接收信号进行联合检测，最后恢复出各个用户的原始发射信号。上行 MU-MIMO是大幅提高LIE系统上行频谱效率的一个重要手段,但是无法提高上行单用户峰值吞吐量。其传输模型如下图所示。

P7：SU-MIMO（单用户MIMO):指在同一时频单元上一个用户独占所有空间资源，这时的预编码考虑的是单个收发链路的性能，其传输模型如下图所示。

三、MIMO原理

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。下图所示为MIMO系统的原理图。

在发射器端配置了Nt个发射天线，在接收器端配置了Nr个接收天线，xj(j=1,2 .....Nt）表示第j号发射天线发射的信号，r i(i=1，2 .......Nr表示第i号接收天线接收的信号，hij表示第j号发射天线到第i号接收天线的信道衰落系数。在接收端，噪声信号ni是统计独立的复零均值高斯变量，而且与发射信号独立，不同时刻的噪声信号间也相互独立，每一个接收天线接收的噪声信号功率相同。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。

四、MIMO关键技术

为了满足系统中高速数据传输速率和高系统容量方面的需求，LIE系统的下行MIMO技术支持2×2的基本天线配置。下行 MIMO技术主要包括：空间分集、空间复用及波束成形3大类。

1、空间复用

空间复用的主要原理是利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传输不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。LIE系统中空间复用技术包括:开环空间复用和闭环空间复用。

2、空间分集

是采用多个收发天线的空间分集可以很好的对抗传输信道的衰落。空间分集分为发射分集、接收分集和接收发射分集三种。

3、波束成形

MIMO中的波束成形方式与智能天线系统中的波束成形类似，在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端，接收端再对收到的信号进行上行波束成形，抑制噪声和干扰。

与常规智能天线不同的是，原来的下行波束成形只针对一个天线，现在需要针对多个天线。通过下行波束成形，使得信号在用户方向上得到加强，通过上行波束成形，使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力。因此，可以利用额外的波束成形增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。