個人資料簡介信息 MIMO _MIMO

MIMO個人資料MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現多發多收，在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，可以成倍的提高系統信道容量，顯示出明顯的優勢、被視為下一代移動通信的核心技術。

文章插圖
MIMO基本簡介MIMO技術最早是由馬可尼于1908年提出的，它利用發射端的多個天線各自獨立發送信號，同時在接收端用多個天線接收并恢復原信息，就可以實現以更小的代價達到更高的用戶速率。
MIMO原理介紹多輸入多輸出技術（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現多發多收，在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，可以成倍的提高系統信道容量，顯示出明顯的優勢、被視為下一代移動通信的核心技術。
圖1
圖1是MIMO系統的一個原理框圖。
發射端通過空時映射將要發送的數據信號映射到多根天線上發送出去，接收端將各根天線接收到的信號進行空時譯碼從而恢復出發射端發送的數據信號。根據空時映射方法的不同，MIMO技術大致可以分為兩類：空間分集和空間復用 ?？臻g分集是指利用多根發送天線將具有相同信息的信號通過不同的路徑發送出去，同時在接收機端獲得同一個數據符號的多個獨立衰落的信號，從而獲得分集提高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用一根發射天線n 根接收天線，發送信號通過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。對于發射分集技術來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統的可靠性。在一個具有m根發射天線n 根接收天線的系統中，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 。目前在MIMO系統中常用的空間分集技術主要有空時分組碼（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技術。STBC是基于發送分集的一種重要編碼形式，其中最基本的是針對二天線設計的Alamouti方案，具體編碼過程如圖2所示。
圖2　Alamouti 編碼過程示意
圖2
可以發現STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天線上面要傳輸的信號矢量相互正交，如圖2-19中x 1和x 2的內積為0，這時接收端就可以利用發送端信號矢量的正交性恢復出發送的數據信號。使用STBC技術，能夠達到滿分集的效果，即在具有M根發射天線N 根接收天線的系統中采用STBC技術時最大分集增益為MN 。波束成形技術是通過不同的發射天線來發送相同的數據，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效提高天線增益。為了能夠最大化指向用戶的波束的信號強度，通常波束成形技術需要計算各個發射天線上發送數據的相位和功率，也稱之威波束成形矢量。常見的波束成形矢量計算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根發射天線采用波束成形技術可以獲得的最大發送分集增益為M 。空間復用技術是將要傳送的數據可以分成幾個數據流，然后在不同的天線上進行傳輸，從而提高系統的傳輸速率。常用的空間復用方法是貝爾實驗室提出的垂直分層空時碼，即V-BLAST技術，如圖3所示。
圖3　V-BLAST 系統發送示意
圖3
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系統是一項運用于802.11n的核心技術。
802.11n是IEEE繼802.11b\a\g后全新的無線局域網技術，速度可達600Mbps 。同時，專有MIMO技術可改進已有802.11a/b/g網絡的性能。該技術最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據收發兩端天線數量，相對于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統。
優點介紹【個人資料簡介信息 MIMO】無線電發送的信號被反射時，會產生多份信號。每份信號都是一個空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的系統一次只能發送或接收一個空間流。MIMO允許多個天線同時發送和接收多個空間流，并能夠區分發往或來自不同空間方位的信號。MIMO 技術的應用，使空間成為一種可以用于提高性能的資源，并能夠增加無線系統的覆蓋范圍。
提高信道的容量MIMO接入點到MIMO客戶端之間，可以同時發送和接收多個空間流，信道容量可以隨著天線數量的增大而線性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。
提高信道的可靠性利用MIMO信道提供的空間復用增益及空間分集增益，可以利用多天線來抑制信道衰落。多天線系統的應用，使得并行數據流可以同時傳送，可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。
潛力介紹通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIMO系統來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統在發射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。傳輸信息流s(k)經過空時編碼形成N個信息子流ci(k)，I=1，……，N 。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。
特別是，這N個子流同時發送到信道，各發射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發射接收天線間的通道響應獨立，則多入多出系統可以創造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數據率必然可以提高。
MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，從而實現高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。
系統容量是表征通信系統的最重要標志之一，表示了通信系統最大傳輸率。對于發射天線數為N，接收天線數為M的多入多出（MIMO）系統，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，并設N、M很大，則信道容量C近似為：C=Blog2(ρ/2)
其中B為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，多入多出系統的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統，其容量僅隨天線數的對數增加而增加。相對而言，多入多出對于提高無線通信系統的容量具有極大的潛力。
理論容量與天線數關系：
圖4-4（1）圖4-4所示的四條信道容量曲線的發射天線數量都為4，以接收天線數量為橫軸，信噪比依次為0dB、5dB、10dB、15dB 。從這四條不同的曲線我們可以得出結論：
1．發射天線數量一定，信噪比不變時信道容量隨著接收天線數的增多而增大，且增大的幅度越來越小。
2．發射天線和接收天線的數量均相同，信道容量隨信噪比的增大而增大。
（2）圖4-5所示的四條信道容量曲線的接收天線數量都為4，以發射天線數量為橫軸，信噪比分別為0dB、5dB、10dB、15dB 。從這四條不同的曲線我們可以得出結論：
1．接收天線數量一定，信噪比不變時信道容量隨著發射天線數的增多而增大，增大的幅度會越來越小。
2．當發射天線數大于接收天線數時，信道容量增大的幅度會大幅度減緩，當 >10以后，信道容量基本上就沒有多大變化。
由上述結論我們可以看到信道容量隨著天線數量的增大而線性增大。也就是說可以在不增加帶寬和天線發送功率的情況下利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，證明了MIMO信道系統理論的正確性。
發展歷史實際上多輸入多輸出(MIMO)技術由來已久，早在1908年馬可尼就提出用它來抗衰落。在20世紀70年代有人提出將多入多出技術用于通信系統，但是對無線移動通信系統多入多出技術產生巨大推動的奠基工作則是上世紀90年代由AT&TBell實驗室的學者完成的。
1990年代，全世界無線通信領域均針對多天線系統進行研究，希望創作出能指向接收者之波束成型技術，亦即是所謂智慧型天線 —— 一種能使波束聰明地追蹤接收者（即移動電話）的技術，如同有個人持著天線到處移動，就像一道自手電筒射出的光束可追蹤一位在黑暗中移動的人一樣。智慧型天線借由波束對其指向（亦即對目標接收者）的相長干涉（constructive interference）及同時間該波束對目標接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference）來增加信號增益，以實現上述智慧型天線的優點，并對于此發送單位上的多天線間，采用一較窄的天線間距來實現此波束。一般以發送信號之一半波長作為實體的天線間距，以滿足空間上的采樣定理且避免旁瓣輻射（grating lobes），亦即空間上的混疊。
波束成型技術的缺點乃是在都市的環境中，信號容易朝向建筑物或移動的車輛等目標分散，因而模糊其波束的集中特性（即相長干涉），喪失多數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在 1990 年代末的發展，而突然轉變為優勢。這些方法利用多徑（multipath propagation）現象來增加數據吞吐量、傳送距離，或減少比特錯誤率。這些型態的系統在選擇實體的天線間距時，通常以大于被發送信號的波長的距離為實作，以確保 MIMO 頻道間的低關聯性及高分集階數（diversity order）。
MIMO 此科技與平坦衰落信道（flat fading channels）兼用時最佳，以降低接收端信道均衡器之復雜度及維持接收端的低功率耗損，也因此 MIMO 多半與 OFDM 結合為復合技術。MIMO-OFDM同時為IEEE 802.16及 IEEE 802.11n HT（High-Throughput）的采用標準之一。WCDMA 的系統，如 HSDPA，亦進行將 MIMO 技術標準化的動作。
技術介紹所謂的MIMO，就字面上看到的意思，是Multiple Input Multiple Output（多入多出）的縮寫，大部分您所看到的說法，都是指無線網絡訊號通過多重天線進行同步收發，所以可以增加資料傳輸率。
然而比較正確的解釋，應該是說，網絡資料通過多重切割之后，經過多重天線進行同步傳送，由于無線訊號在傳送的過程當中，為了避免發生干擾起見，會走不同的反射或穿透路徑，因此到達接收端的時間會不一致。為了避免資料不一致而無法重新組合，因此接收端會同時具備多重天線接收，然后利用DSP重新計算的方式，根據時間差的因素，將分開的資料重新作組合，然后傳送出正確且快速的資料流。
由于傳送的資料經過分割傳送，不僅單一資料流量降低，可拉高傳送距離，又增加天線接收范圍，因此MIMO技術不僅可以增加既有無線網絡頻譜的資料傳輸速度，而且又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是，還能增加訊號接收距離。所以不少強調資料傳輸速度與傳輸距離的無線網絡設備，紛紛開始拋開對既有Wi-Fi聯盟的兼容性要求，而采用MIMO的技術，推出高傳輸率的無線網絡產品。
MIMO技術大致可以分為兩類：發射/接收分集和空間復用。傳統的多天線被用來增加分集度從而克服信道MIMO衰落。具有相同信息的信號通過不同的路徑被發送出去，在接收機端可以獲得數據符號多個獨立衰落的復制品，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根發射天線n根接收天線，發送信號通過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。對于發射分集技術來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統的可靠性。在一個具有m根發射天線n根接收天線的系統中，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 。智能天線技術也是通過不同的發射天線來發送相同的數據，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，智能天線技術也可以算一種天線分集技術。
分集技術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) 。從本質上來講，如果每對發送接收天線之間的衰落是獨立的，那么可以產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，可以提供傳輸數據速率，這被稱為空間復用。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。
根據子數據流與天線之間的對應關系，空間多路復用系統大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST 。
D-BLAST最先由貝爾實驗室的Gerard J. Foschini提出。原始數據被分為若干子流，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，但是這種對應關系周期性改變，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，使得所有層的數據可以通過不同的路徑發送到接收機端，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，或者增加了傳輸數據的冗余。如圖1.b所示，在數據發送開始時，有一部分空時單元未被填入符號(對應圖中右下角空白部分)，為了保證D-BLAST的空時結構，在發送結束肯定也有一部分空時單元被浪費。如果采用burst模式的數字通信，并且一個burst的長度大于M(發送天線數目)個發送時間間隔，那么burst的長度越小，這種浪費越嚴重。它的數據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結構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關系，即編碼后的第k個子流直接送到第k根天線，不進行數據流與天線之間對應關系的周期改變。如圖1.c所示，它的數據流在時間與空間上為連續的垂直列向量，稱為V-BLAST(Vertical-BLAST) 。由于V-BLAST中數據子流與天線之間只是簡單的對應關系，因此在檢測過程中，只要知道數據來自哪根天線即可以判斷其是哪一層的數據，檢測過程簡單。
（圖1）
考慮到D-BLAST以及V-BALST模式的優缺點，一種不同于D-DBLAST與V-BLAST的空時編碼結構被提出：T-BLAST 。等文獻分別提及這種結構。它的層在空間與時間上呈螺紋(Threaded)狀分布，如圖2所示。原始數據流被多路分解為若干子流之后，每個子流被對應的天線發送出去，并且這種對應關系周期性改變，與D-BLAST系統不同的是，在發送的初始階段并不是只有一根天線進行發送，而是所有天線均進行發送，使得單從一個MIMO發送時間間隔來看，它的空時分布很像V-BALST，只不過在不同的時間間隔中，子數據流與天線的對應關系周期性改變。更普通的T-BLAST結構是這種對應關系不是周期性改變，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。
技術分類（spatial multiplexing）工作在MIMO天線配置下，能夠在不增加帶寬的條件下，相比SISO系統成倍地提升信息傳輸速率，從而極大地提高了頻譜利用率。在發射端，高速率的數據流被分割為多個較低速率的子數據流，不同的子數據流在不同的發射天線上在相同頻段上發射出去。如果發射端與接收端的天線陣列之間構成的空域子信道足夠不同，即能夠在時域和頻域之外額外提供空域的維度，使得在不同發射天線上傳送的信號之間能夠相互區別，因此接收機能夠區分出這些并行的子數據流，而不需付出額外的頻率或者時間資源 ?？臻g復用技術在高信噪比條件下能夠極大提高信道容量，并且能夠在“開環”，即發射端無法獲得信道信息的條件下使用。Foschini等人提出的“貝爾實驗室分層空時”（BLAST）是典型的空間復用技術。
（spatial diversity）：利用發射或接收端的多根天線所提供的多重傳輸途徑發送相同的資料，以增強資料的傳輸品質。
（beamforming）：借由多根天線產生一個具有指向性的波束，將能量集中在欲傳輸的方向，增加信號品質，并減少與其他用戶間的干擾。
（precoding）：預編碼主要是通過改造信道的特性來實現性能的提升。
以上 MIMO 相關技術并非相斥，而是可以相互配合應用的，如一個 MIMO 系統即可以包含空分復用和分集的技術。

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