MIMO, MIMO是什么意思，什么是MIMO无线通信技术

MIMO(多输入多输出)系统是802.11n正在考虑的技术。802.11n是下一代802.11标准，可将吞吐量提高到100Mbps。同时，专有的MIMO技术提高了现有802.11a/b/g网络的性能。这项技术是由马可尼在1908年首次提出的，它使用多个天线来抑制信道衰落。根据收发端和收发端天线的数量，与常见的SISO(Single-Input Single-Output)系统相比，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multiple -Output)系统和MISO(Multiple -Input Single-Output)系统。

1. MIMO概述

多用户M I M O指示图

MIMO表示多输入和多输出。读/maimo/或/mimo/，通常美国人读前者，英国人读后者，更多国际上这一领域的专家读/maimo/。通常用于IEEE 802.11n，但也可用于其他802.11技术。MIMO有时被称为空间多样化，因为它使用多个空间信道来发送和接收数据。只有当站点(移动设备)或接入点(AP)支持MIMO时，才可以部署MIMO。

MIMO的优点是可以增加无线范围，提高性能。连接到旧的802.11g接入点的802.11n站点能够以更高的速度连接到更远的距离。例如，如果你使用旧的站点，从25英尺的距离连接到接入点的速度是1Mbps;使用802.11n MIMO，站点速度为2Mbps。增加到2Mbps范围，允许用户在更长的距离保持连接。

当无线电信号被反射时，它会产生多个信号。每个信号都是一个空间流。当前或使用单输入单输出(SISO)的旧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。它允许天线同时发射和接收。

旧接入点到旧客户端-只发送和接收一个空间流

MIMO接入点到MIMO客户端-同时发送和接收多个空间流

MIMO技术可以提高信道的容量，提高信道的可靠性，降低误码率。前者基于MIMO信道提供的空间复用增益，后者基于MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的主要算法有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有良好的解码性能，但复杂度比较大，不能满足实时性要求高的无线通信的要求。ZF算法简单易行，但对信道信噪比要求高。BLAST算法具有最好的性能和复杂度。该算法实际上是利用ZF算法和干扰消除技术推导出来的。空时编码是MIMO技术中的另一个研究热点。常用时空码-时块码，时空格码。空时码的主要思想是利用空时编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道的误码率。

一般来说，多路径会导致衰落，被认为是有害的。然而，结果表明，多路径可以作为MIMO系统的一个有利因素。MIMO系统在发送端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多信道。MIMO多进多出是一种多径无线信道。将传输信息流s(k)进行时空编码，形成N个信息流ci(k)， I=1.N个子流通过空间信道后，由N个天线发射，M个接收天线接收。多天线接收机采用先进的空时编码处理对这些数据子流进行分离和解码，以达到最佳处理。

特别是N个子流同时发送到信道，每个发送的信号占用相同的频带，所以带宽没有增加。如果每个发射和接收天线的信道响应是独立的，那么多进多出系统可以创建多个并行的空间信道。通过这些并行的空间信道独立地传输信息，必然会提高数据速率。

MIMO将多径无线信道、发送和接收作为一个整体进行优化，以实现高通信容量和频谱利用率。这是一种近乎最优的时空联合分集和干扰消除处理方法。

系统容量是通信系统最重要的指标之一，它代表了通信系统的最大传输速率。对于发射天线数为N、接收天线数为M的MIMO系统，假设信道为独立的瑞利衰落信道，且N和M都较大，则信道容量C近似为：C=[min(M,N)]Blog2(/2)

式中B为信号带宽，为接收端的平均信噪比，min(M,N)为M，取N中的小者。由上式可知，对于固定的功率和带宽，多入多出系统的最大容量或最高容量随着最小天线数的增加而线性增加。然而，在相同的条件下，传统的智能天线系统在接收端或发射端采用多天线或天线阵列时，其容量仅随天线数量的对数而增加。相对而言，多进多出对提高无线通信系统的容量有很大的潜力。

2. MIMO的发展历史

在20世纪90年代，全世界的无线通信行业都在研究多天线系统，希望能开发出针对接收器的波束形成技术，或称智能天线，这种技术可以让波束智能地跟踪接收器(即移动电话)，就像一个人带着天线四处走动一样。就像手电筒发出的一束光可以追踪在黑暗中移动的人。波束对其方向(即目标接收机)产生建设性干扰，同时对目标接收机产生指向其他方向的相消干扰，在智能天线上建立相消干扰以增加信号增益。为了实现上述智能天线的优点，采用窄天线间距实现发射单元上多天线之间的波束。一般采用发射信号波长的一半作为固体天线节距，以满足空间上的采样定理，避免空间上的旁瓣辐射即混叠。

波束形成技术的缺点是在城市环境中，信号容易向建筑物或移动车辆等目标分散，从而模糊了波束的集中特征(即相互干扰)，失去了大部分信号的增益和抗干扰特性。然而，随着20世纪90年代后期空间多样性和空间复用技术的发展，这一劣势突然变成了优势。这些方法利用多径传播来提高吞吐量、传播距离或降低误码率。在选择实体的天线间距时，这些系统通常实现大于发射信号波长的距离，以保证MIMO信道之间的低相关性和高分集顺序。[1] [2]

3.MIMO技术

MIMO技术大致可分为发射/接收分集和空间多路复用两大类。传统的多天线用于增加分集和克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径发出，在接收端可以获得多个独立的衰落数据符号副本，从而获得更高的接收可靠性。例如，在慢瑞利衰落信道中，使用1个发射天线和n个接收天线，通过n条不同的路径发送信号。如果每个天线的衰落是独立的，则可以获得最大分集增益为n，并且可以将平均误差概率降低到单个天线衰落信道的平均误差概率为。在发射分集技术中，还利用了多路增益来提高系统的可靠性。在具有m根发射天线和n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益为独立均匀分布的瑞利衰落，则可获得的最大分集增益为mn。智能天线技术还通过不同的发射天线传输相同的数据，形成指向部分用户的异形波束，从而有效提高天线增益，减少用户之间的干扰。从广义上讲，智能天线技术也可以看作是一种天线分集技术。

分集技术主要用于对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息，以增加通信的自由度。本质上，如果每对发射和接收天线之间的衰落是独立的，那么就可以产生多个并行子信道。如果在这些并行子信道上传输不同的信息流，则可以提供传输数据速率，这被称为空间复用。特别要指出的是，在高信噪比的情况下，传输速率受到自由度的限制。在这种情况下，对于m根发射天线和n根接收天线，瑞利衰落是独立的，并且在天线对之间分布均匀。

根据子数据流与天线的对应关系，将空间复用系统大致分为D-BLAST、V-BLAST和T-BLAST三种模式。

D-BLAST最早是由贝尔实验室的Gerard J. Foschini提出的。原始数据被分成几个子流，每个子流分别编码，但不共享信息位。每个子流对应一个天线，但对应关系周期性地变化。如图1所示。B，每一层在时间和空间上呈现对角线形状。它被称为D-BLAST(对角-BLAST)。D-BLAST的优点是所有层的数据都可以通过不同的路径发送到接收端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是浪费了部分空间和时间单位，或者由于符号在空间和时间上的对角线形状增加了数据传输的冗余度。1. 如图b所示，在数据发送开始时，有一部分时空单元没有填充符号(对应图右下角的空白部分)。为了保证D-BLAST的时空结构，在发送结束时必须有一部分时空单元被浪费。如果采用突发方式的数字通信，并且突发的长度大于M(发送天线数)发送时间间隔，那么突发的长度越小，这种浪费就越严重。它的数据检测需要逐层进行。如图1所示。首先检测到B, c0, c1和c2，然后是a0, a1和a2，然后是b0, b1和b2.

另一种简化的BLAST结构也是由贝尔实验室首先提出的。它采用天线与层的直接对应关系，即编码后的第k个子流直接发送到第k个天线，数据流与天线的对应关系没有周期性变化。1. 如图c所示，其数据流在时间和空间上是一个连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical -blast)。由于V-BLAST中的数据子流与天线之间只有简单的对应关系，所以在检测过程中，只要数据来自哪个天线，就可以确定是哪个层的数据。检测过程很简单。

考虑到D-BLAST和V-BLAST的优缺点，提出了一种不同于D-DBLAST和V-BLAST的空时编码结构：T-BLAST。这种结构在其他文献中也有提到。它的层是空间和时间线程的，如图2所示。将原始数据流复用分解为若干子流后，每个子流由相应的天线发出，这种对应关系周期性地变化。与D-BLAST系统不同的是，在传输的初始阶段，不是只有一个天线进行传输，而是有多个天线进行传输，所以从单个传输间隔开始，它的时空分布与V-BALST非常相似，只是子数据流与天线之间的对应关系在不同的时间间隔内会周期性变化。更一般的T-BLAST结构是这种对应关系不是周期性地变化，而是随机地变化。这样，T-BLAST既可以使所有子流共享空间信道，又避免了时空单元的浪费。此外，可以使用V-BLAST检测算法进行检测。

4. MIMO的研究现状

关于MIMO系统的理论和性能方面的研究文献很多，涉及的内容非常广泛。然而，由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳的多进多出系统，因此仍有许多问题需要研究。例如，大多数文献假设信道是分段-恒衰落信道。这对于宽带信号的4G系统和室外快速移动系统来说是不够的，因此必须使用复杂的模型进行研究。关于移动台的频率选择性衰落和快速移动的研究文献很多。此外，在基础文献中，假设接收者对多径信道参数是精确已知的，因此必须发送训练序列来训练接收者。但由于移动台移动速度过快，训练时间过短，因此快速信道估计或盲处理成为重要的研究内容。

此外，实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实现移动终端的多天线多通道接收是实际系统研究中的一个重要问题。由于移动终端要求体积小、重量轻、功耗低，因此还有很多工作要做。目前，各大公司都在开发实验系统。

Bell LABS BLAST系统[4]是最早开发的MIMO实验系统。系统工作频率为1.9GHz，发射8个天线，接收12个天线，采用D-BLAST算法。频谱利用率达到25.9比特/(Hz?s)。但是，本系统只研究窄带信号和室内环境，对于3G和4G的应用有相当的距离。发射端和接收端的多天线可以提供空间分集效应，克服了波衰落的不利影响。这是因为合理安排的多天线提供了多个空间信道，并且不会同时衰落。在上述具体实验系统中，每个基站设置2个发射天线和3个接收天线，每个用户终端设置1个发射天线和3个接收天线，即在下游路径设置23天线，在上游路径设置13天线。这样，与“单输入/单输出天线”的SISO相比，在传输上获得了10 ~ 20dB的效益，系统容量也相应提高。而且，基站的两根发射天线可以在需要时传输不同的数据信号，用户的数据传输速率可以提高一倍。

朗讯科技的贝尔实验室分层时空(BLAST)技术是移动通信领域领先的MIMO应用，也是其智能天线的进一步发展。BLAST技术的原理是，利用每对发射和接收天线的独特“空间同一性”，在接收端“恢复”信号。BLAST技术在现有频段上建立多个互不干扰的并行子信道，利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传递用户数据。结果是正向和反向链接容量显著增加。BLAST技术证明，在天线的发射端和接收端同时采用多个阵列，可以充分利用多径传播的优势，“变废为宝”，提高系统容量。理论研究表明，使用BLAST时，系统频谱效率随天线数量线性增加；也就是说，只要允许增加天线数量，系统容量就可以增加。这证明了BLAST技术的潜力。BLAST技术因其对无线通信理论的杰出贡献而于2002年获得托马斯爱迪生发明奖。

2002年10月，世界上第一个BLAST芯片在朗讯贝尔实验室亮相。贝尔实验室研究小组设计小组宣布业界首款采用贝尔实验室分层时空(BLAST) MIMO技术的芯片，该技术支持44天线布局。可处理的最大数据速率为19.2Mbps。BLAST芯片使终端能够通过3G移动网络接收每秒19.2兆比特(MBPS)的数据。朗讯科技已经开始在其Flexent OneBTS系列基站中使用BLAST芯片，并计划将BLAST芯片授权给终端制造商。提高无线3G数据终端支持高速数据接入的能力。

2003年8月，AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi芯片组，据称这是世界上第一个集成多输入多输出(MIMO)技术的大众市场产品。AGN100采用该公司的多天线传输和接收技术，将目前的Wi-Fi速率提高到每通道108Mbps，同时保持与所有通用Wi-Fi标准的兼容性。该产品集成了两个芯片，包括一个基带/MAC芯片(AGN100BB)和一个射频芯片(AGN100RF)，具有可扩展的架构，允许制造商仅使用一个射频芯片实现单天线系统，或添加额外的射频芯片以提高性能。支持802.11a、b、g所有模式，支持IEEE 802.11工作组推出的最新标准(包括TGi安全特性、TGe优质业务特性)。

Airgo芯片组兼容当前的Wi-Fi标准，支持802.11a、“b”和“g”模式，使用三个5 ghz和三个2.4 ghz天线。使用Airgo芯片组的无线设备可以与旧的802.11设备通信。你甚至可以用54Mbps的802.11a设备和108Mbps的Airgo设备进行通信。

5. MIMO的应用

为了提高系统容量，下一代无线宽带移动通信系统将采用MIMO技术，即在基站端放置多根天线，在移动台也放置多根天线，在基站与移动台之间形成MIMO通信链路。采用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端多天线放置方式可分为两类。一是将多个基站天线集中布置，形成天线阵列，放置在覆盖小区内，可称为集中式MIMO。另一种是基站的多根天线分散在覆盖小区中，可称为分布式MIMO。

MIMO技术可以以相对简单的方式应用于传统的蜂窝移动通信系统。基站的单天线被多天线组成的天线阵列所取代。基站使用天线阵列与小区中具有多个天线的移动站进行通信。从系统架构的角度来看，这种MIMO系统与传统的单进单出(SISO)蜂窝通信系统没有本质上的区别。

传统的分布式天线系统可以克服大规模衰落和阴影衰落带来的信道路径损耗，在小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角，提高通信服务质量。近年来，在对MIMO技术的研究中发现，将传统的分布式天线系统与MIMO技术相结合可以提高系统容量。这种新的分布式MIMO系统结构——分布式无线通信系统(DWCS)[8]已成为MIMO技术的重要研究热点。

在使用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区中的多个天线通过光纤连接到基站处理器。在具有多天线的移动站与附近分散的基站天线之间建立MIMO通信链路。这种系统架构不仅具有传统分布式天线系统的优点，减少了路径损耗，克服了阴影效应，而且通过MIMO技术显著提高了信道容量。与集中式MIMO相比，DWCS的基站天线之间的距离更长，因此可以认为不同天线与移动台之间形成的信道衰落完全无关，信道容量更大。通常，分布式MIMO系统具有更大的信道容量、更低的系统功耗、更好的系统覆盖性能以及更好的可扩展性和灵活性。

分布式MIMO DWCS系统也引入了一些新的问题。对于移动站与小区内相邻天线之间建立的MIMO链路，由于基站内不同天线的位置不同，它们与移动站之间的距离也不同，因此基站端多根天线的信号对移动站的延迟也不同，这就带来了新的研究问题。目前，能力分析是该领域的主要研究内容。此外，研究内容还包括：具体同步技术、信道估计、天线选择、传输方案、信号检测技术等，这些问题还需要进一步研究。

MIMO技术已成为无线通信领域的关键技术之一。随着近年来的不断发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统中。在无线宽带移动通信系统方面，MIMO技术已被加入3GPP标准，MIMO技术也将应用于B3G和4G系统。在无线宽带接入系统中，正在开发的802.16e、802.11n和802.20标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统的研究中，如超宽带(UWB)系统、传感无线电系统(CR)等，都在考虑MIMO技术的应用。

随着天线数量的增加，MIMO技术的复杂性大大增加，这限制了天线的使用数量，不能充分发挥MIMO技术的优势。目前，如何在保证一定系统性能的同时降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度，已成为业界面临的巨大挑战。