MIMO,MIMO是什么意思,什么是MIMO無線通信技術

　　MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系統(tǒng)是一項考慮用于802.11n的技術。802.11n是下一代802.11標準，可將吞吐量提高到100Mbps。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(fā)兩端天線數量，相對于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。

　　1、MIMO概述

　　多 用 戶 M I M O 示 意 圖

　　MIMO 表示多輸入多輸出。讀/maimo/或/mimo/，通常美國人前者，英國人讀后者，國際上研究這一領域的專家較多的都讀讀/maimo/。通常用于 IEEE 802.11n，但也可以用于其他 802.11 技術。MIMO 有時被稱作空間多樣，因為它使用多空間通道傳送和接收數據。只有站點(移動設備)或接入點(AP)支持 MIMO 時才能部署 MIMO。

　　MIMO 的優(yōu)點是能夠增加無線范圍并提高性能。連接到老的 802.11g 接入點的 802.11n 站點能夠以更高的速度連接到更遠的距離。例如，如果使用老站點，從 25 英尺的距離連接到接入點的速度是 1Mbps;而使用 802.11n MIMO 時站點的速度為 2Mbps。增加到 2Mbps 的范圍，允許用戶在更遠的距離保持連接。

　　無線電發(fā)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)的當前或老系統(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。它允許天線同時傳送和接收。

　　老接入點到老客戶端 - 只發(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量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。

　　利用MIMO技術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。前者是利用MIMO信道提供的空間復用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實現空間復用增益的算法主要有貝爾實驗室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復雜度比較大，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF算法簡單容易實現，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術得出的。目前MIMO技術領域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。

　　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(tǒng)來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)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(fā)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(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應獨立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)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(fā)射、接收視為一個整體進行優(yōu)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(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。

　　系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對于發(fā)射天線數為N，接收天線數為M的多入多出(MIMO)系統(tǒng)，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=[min(M,N)]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(tǒng)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(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，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(tǒng)的容量具有極大的潛力。

　　2、MIMO發(fā)展歷史

　　1990年代，全世界無線通信領域均針對多天線系統(tǒng)進行研究，希望實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(yōu)點，并對于此發(fā)送單位上的多天線間，采用一較窄的天線間距來實作此波束。一般以發(fā)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(huán)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(fā)展，而突然轉變?yōu)閮?yōu)勢。這些方法利用多徑(multipath propagation)現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 頻道間的低關聯(lián)性及高分集階數(diversity order)。[1][2]

　　3、MIMO 技術

　　MIMO技術大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復用。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(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。智能天線技術也是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)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(fā)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，這被成為空間復用。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(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。

　　根據子數據流與天線之間的對應關系，空間多路復用系統(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(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，或者增加了傳輸數據的冗余。如圖1.b所示，在數據發(fā)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(fā)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(fā)送天線數目)個發(fā)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(xù)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。

　　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(fā)送出去，并且這種對應關系周期性改變，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。

　　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，這些文獻涉及相當廣泛的內容。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，為此，必須發(fā)送訓練序列對接收機進行訓練。但是若移動臺移動速度過快，就使得訓練時間太短，這樣快速信道估計或盲處理就成為重要的研究內容。

　　另外實驗系統(tǒng)是MIMO技術研究的重要一步。實際系統(tǒng)研究的一個重要問題是在移動終端實現多天線和多路接收，學者們正大力進行這方面的研究。由于移動終端設備要求體積小、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環(huán)境進行了研究，對于在3G、4G應用尚有相當大距離。在發(fā)送端和接收端各設置多重天線，可以提供空間分集效應，克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當的多副天線提供多個空間信道，不會全部同時受到衰落。在上述具體實驗系統(tǒng)中，每一基臺各設置2副發(fā)送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設置1副發(fā)送天線和3副接收天線，即下行通路設置2×3天線、上行通路設置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據信號，用戶傳送的數據速率可以加倍。

　　朗訊科技的貝爾實驗室分層的空時(BLAST)技術是移動通信方面領先的MIMO應用技術，是其智能天線的進一步發(fā)展。BLAST技術就其原理而言，是利用每對發(fā)送和接收天線上信號特有的“空間標識”，在接收端對其進行“恢復”。利用BLAST技術，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，同時準確高效地傳送用戶數據，其結果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLAST技術證明，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，系統(tǒng)頻譜效率可以隨天線個數成線性增長，也就是說，只要允許增加天線個數，系統(tǒng)容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術有著非常大的潛力。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計小組宣布推出了業(yè)內第一款結合了貝爾實驗室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技術的芯片，這一芯片支持最高4×4的天線布局，可處理的最高數據速率達到19.2Mbps。該技術用于移動通信，BLAST芯片使終端能夠在3G移動網絡中接收每秒19.2兆比特的數據，現在，朗訊科技已經開始將此BLAST芯片應用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同時還計劃授權終端制造商使用該BLAST芯片，以提高無線3G數據終端支持高速數據接入的能力。

　　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)技術的批量上市產品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術，將現在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同時保持與所有常用Wi-Fi標準的兼容性。該產品集成兩片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一種可伸縮結構，使制造商可以只使用一片RF芯片實現單天線系統(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工作組推出最新標準(包括TGi安全和TGe質量的服務功能)。

　　Airgo的芯片組和目前的Wi-Fi標準兼容，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芯片組的無線設備可以和以前的802.11設備通訊，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設備通訊的同時還可以以108Mbps的速度和Airgo的設備通訊。

　　5、MIMO 的 應用

　　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，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。應用MIMO技術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技術可以比較簡單地直接應用于傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)，將基站的單天線換為多個天線構成的天線陣列?；就ㄟ^天線陣列與小區(qū)內的具有多個天線的移動臺進行MIMO通信。從系統(tǒng)結構的角度看，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)內形成良好的系統(tǒng)覆蓋，解決小區(qū)內的通信死角，提高通信服務質量。最近在MIMO技術的研究中發(fā)現，傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)與MIMO技術相結合可以提高系統(tǒng)容量，這種新的分布式MIMO系統(tǒng)結構——分布式無線通信系統(tǒng)(DWCS)[8]成為MIMO技術的重要研究熱點。

　　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)結構不僅具備了傳統(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，同時還通過MIMO技術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，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，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。除此之外的研究內容還包括：具體的同步技術、信道估計、天線選擇、發(fā)射方案、信號檢測技術等，這些問題有待深入研究。

　　MIMO技術已經成為無線通信領域的關鍵技術之一，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，MIMO技術將越來越多地應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)已經在標準中加入了MIMO技術相關的內容，B3G和4G的系統(tǒng)中也將應用MIMO技術。在無線寬帶接入系統(tǒng)中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標準也采用了MIMO技術。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)，都在考慮應用MIMO技術。

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