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什么是MIMO？从SISO到MIMO - 华为

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MIMO

什么是MIMO？

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）是指在无线通信领域使用多天线发送和接收信号的技术。MIMO技术主要应用在Wi-Fi（WiFi）领域和移动通信领域，可以有效提高系统容量、覆盖范围和信噪比。通常讲的M×N MIMO是指发送端有M个天线，接收端有N个天线。

目录

从SISO到MIMO

MIMO有哪些类型？

Wi-Fi中的MIMO是如何工作的？

什么是M×N MIMO？

更多

收起

从SISO到MIMO

SISO（Single-Input Single-Output）

在介绍MIMO之前，需要先介绍一下什么是SISO。从字面上理解，SISO 就是单发单收，是一种单输入单输出系统，发射天线和接收天线之间的路径是唯一的，传输的是1路信号。在无线系统中，我们把每路信号定义为1个空间流（Spatial Stream）。

SISO示意图

由于发射天线和接收天线之间的路径是唯一的，这样的传输系统是不可靠的，而且传输速率也会受到限制。

SIMO（Single-Input Multiple-Output）

为了改变这一局面，在终端处增加1个天线，使得接收端可以同时接收到2路信号，也就是单发多收。这样的传输系统就是单输入多输出，即SIMO。

SIMO示意图

虽然有2路信号，但是这2路信号是从同一个发射天线发出的，所以发送的数据是相同的，传输的仍然只有1路信号。这样，当某一路信号有部分丢失也没关系，只要终端能从另一路信号中收到完整数据即可。虽然最大容量还是1条路径，但是可靠性却提高了1倍。这种方式叫作接收分集。

MISO（Multiple-Input Single-Output）

我们换一个思路，如果把发射天线增加到2个，接收天线还是维持1个，会有什么样的结果呢？

MISO示意图

因为接收天线只有1个，所以这两路最终还是要合成1路，这就导致发射天线只能发送相同的数据，传输的还是只有1路信号。这样做其实可以达到和SIMO相同的效果，这种传输系统叫作多输入单输出，即MISO。这种方式也叫发射分集。

MIMO

如果收发天线同时增加为2个，那么是不是就可以实现独立发送2路信号、速率翻倍了呢？答案是肯定的，因为从前文对SIMO和MISO的分析来看，传输容量取决于收、发双方的天线个数。而这种多收多发的传输系统就是MIMO。

MIMO示意图

MIMO 技术允许多个天线同时发送和接收多个信号，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。通过空分复用和空间分集等技术，在不增加占用带宽的情况下，提高系统容量、覆盖范围和信噪比。

MIMO有哪些类型？

MIMO是利用多天线收发信号的技术，最开始用于对单用户的数据传输。但随着多用户传输技术的发展，在MIMO的基础上出现了多种多用户类型的MIMO技术，为了便于区分，将单用户类型的MIMO称为SU-MIMO（Single-user MIMO）。多用户类型的MIMO技术则主要包含以下几种。

MU-MIMO（Multi-user MIMO）：允许发射端同时和多个用户传输数据。Wi-Fi 5标准开始支持4用户的MU-MIMO，Wi-Fi 6标准将用户数增加到了8个。

CO-MIMO（Cooperative MIMO）：将多个无线设备组成虚拟的多天线系统，实现相邻的发射设备同时和多个用户传输数据。

Massive MIMO：大规模天线技术，极大提升了天线的数量，传统MIMO一般使用2~8天线，而Massive MIMO则可达到64/128/256个天线。可大幅提高系统容量和传输效率，是5G移动通信的关键技术。

从广义上讲，多用户类型的MIMO技术都可以归为MIMO技术，但我们提到MIMO时，通常是指传统的MIMO概念，即SU-MIMO。

Wi-Fi中的MIMO是如何工作的？

在Wi-Fi领域从Wi-Fi 4（802.11n）标准开始引入了MIMO技术。MIMO主要使用了两种关键技术：空间分集和空分复用。不管是分集技术还是复用技术，都是把一路数据变成多路数据的技术，可以归为空时编码技术。

空间分集

空间分集技术的思路是制作同一个数据流的不同版本，分别在不同的天线进行编码、调制，然后发送。这个数据流可以是原来要发送的数据流，也可以是原始数据流经过一定的数学变换后形成的新数据流。接收机利用空间均衡器分离接收信号，然后解调、解码，将同一数据流的不同接收信号合并，恢复出原始信号。空间分集技术可以更可靠地传输数据。

Wi-Fi 4标准引入的波束成形（Beamforming）技术也可以认为是一种分集技术。波束成形需要先检测信道状态，对各天线发送的信号进行预编码，使信号在接收端方向叠加增强。波束成形能够增加信号传输距离，提高接收端收到的信号质量。

空间分集技术

空间分集有效提升了数据传输的可靠性，适用于传输距离长，速率要求不高的场景。

空分复用

空分复用技术是指将需要传送的数据分为多个数据流，分别通过不同的天线进行编码、调制，然后进行传输，从而提高系统的传输速率。天线之间相互独立，一个天线相当于一个独立的信道，接收机利用空间均衡器分离接收信号，然后解调、解码，将几个数据流合并，恢复出原始信号。

空分复用技术

空分复用有效提升了数据传输的速率，适用于传输距离短，速率要求高的场景。

什么是M×N MIMO？

在WLAN产品的规格中，通常会看到一个指标项M×N MIMO，也有写作MTNR的，这个指标项有什么含义呢？其实是用来表示MIMO的天线数，M表示发送端的天线数，N表示接收端的天线数。例如4×3 MIMO表示4根天线发送，3根天线接收。

市面上多数的家用无线路由器都可以看到数根天线，1根天线往往能够支持收和发，所以可以根据天线的数量简单判断，天线的数量就是M和N的值。例如一台有着4根天线的无线路由器，可以认为是4x4 MIMO，当然具体还要以产品规格为准。天线数越多，意味着性能越高，价格也就越贵。

在企业级的AP产品中，有着更多的天线数，能够为企业提供更加快速和可靠的无线网络。例如华为的企业级Wi-Fi 6 AP产品，旗舰款AirEngine 8760-X1-PRO，2.4G频段支持4x4 MIMO，5G频段支持12x12 MIMO，整机的天线数有16个之多，让速率达到10.75Gbps，为用户带来光纤般的无线体验。

在一个MIMO系统中，如果收发天线数量不相等，那么能够传输的空间流数小于或等于收/发端中更小的天线数。例如，4×4（4T4R）的MIMO系统可以传输4个或者更少的空间流，而3×2（3T2R）的MIMO系统可以传输2个或者1个空间流。

在实际应用中，AP往往具有较多的天线数，从4天线到16天线不等，但是终端（比如手机）通常只有1-2根天线。即使天线技术在不断进步，但受限于终端产品的体积大小，即使再容纳1-2根天线，也远小于AP的天线个数，这就意味着可以传输的空间流数量受限于终端，导致无法充分享受到空间流数增加带来的速率成倍增加，造成AP上天线资源的浪费。幸运的是多用户类型的MIMO技术出现并解决了这一问题，例如MU-MIMO可以让一个AP同时和多个终端传输信号，多个终端的天线总数和AP的天线数对等，让AP的能力得到充分的发挥。

参考资源

1阅读eBook：Wi-Fi 6

2华为WLAN 多用户性能提升技术白皮书

3了解华为AirEngine Wi-Fi 6产品

相关词条

802.11ac

MU-MIMO

WLAN

WiFi

WiFi 6

智能天线

波束成形

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作者：

王义博

最近更新：

2022-04-02

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MIMO是什么？ - 知乎

MIMO是什么？ - 知乎首发于无线深海切换模式写文章登录/注册MIMO是什么？无线深海​MIMO是什么在这个万物互联的时代，手机作为我们和外界联系的窗口，似乎已经成为了我们身体的一部分。而手机是无法自己上网的，无时无刻不和手机进行通信的网络已经变得跟水和电一样，畅快上网的时候感觉不到这些幕后英雄的重要，一旦离开就感觉跟活不下去了一样。出于在中国某动某通某信按流量收费时代的记忆，那时1M流量收费一块，普通人一个月也就几百M，用一点少一点，哪敢无时无刻刷抖音啊。因此，看到wifi，畅快上网就有了安全感。我们来看看常用的无线路由器长什么样子。好家伙，6根天线，都快成蜘蛛了。看起来很牛逼的样子。实际呢，信号能多穿两堵墙？还是网速能倍增？这些效果还真都可以达到。效果当然是通过这么多天线来实现的，这就是大名鼎鼎的MIMO技术。MIMO？说人话就叫：多输入多输出（Multi Input Multi Output）。可这听起来还是不够像人话。我们这样想一下，如果通过网线上网的话，连接电脑和网络的就是一根实际的线缆。现在我们通过天线把信号在空气中用电磁波来传送，空气就起到跟网线一样的作用，都是传输信号的通道，叫做无线信道。那么咋样能让网速更快呢？显然多来几根天线，多几根虚拟的网线一起收发数据就能解决问题，这个多输入多输出就是针对这个无线信道来说的。无线路由器如此，在那高高的铁塔上，4G基站和你的手机也在做着同样的事情。简直是为了能让你畅(duō)快(jiāo)上(huà)网(fèi)操碎了心。正是由于和4G紧密结合的MIMO技术，让我们能体验飞一样的上网速度，同时像移动联通电信这样的运营商的成本也大幅降低，在激烈的竞争下纷纷推出不限量套餐，我们终于能够得以摆脱对wifi的依赖，无时无刻都可以畅快地看视频了。下面，蜉蝣君将抽丝剥茧，揭开MIMO的神秘面纱，把基站和手机之间的那些风流韵事扒个一丝不挂，让各位看得清楚看得明白。MIMO的分类首先，我们前面提到的MIMO，均指的是在下载方向上大幅提升网速。这是因为在现阶段，我们对下载的需求更为强劲。想想看，你可能动辄下载几十个G的视频，而上传却大多是几个M的照片而已。既然MIMO叫做多输入多输出，必然涉及到多天线创造的多条传输路径。俗话说，一个巴掌拍不响，不但基站要支持多天线发射，手机也要用多天线接收来迎合。蜉蝣君从简单到复杂，以最为常见的最大两天线为例，画了下基站和手机天线个数不同的几种情况。请忽略天线外观的细节，实际上基站的天线很大很直观，手机的天线很小隐藏在内部，虽然能力不同，但他们在通信中的地位是一样的。这里面根据基站和手机的天线数的不同，可分为SISO，SIMO，MISO和MIMO四种类型。它们的英文含义如下：① SISO：单输入单输出 ( Single Input Single Output )② SIMO：单输入多输出 ( Single Input Multiple Output )③ MISO：多输入单输出 ( Multiple Input Single Output )④ MIMO：多输入多输出 ( Multiple Input Multiple Output )先从简单的来，从SISO开始。基站和手机各一根天线，你发我收，清清白白，但是在实际使用的时候却实在是不尽如人意。我们可以把基站和手机想象成望眼欲穿的情侣，中间的传输路径想象成连通双方的唯一的公路。这样的系统无疑是非常脆弱的，本来就是羊肠小道，无论是遇到刮风下雨，还是毫无征兆的堵车，都会直接对通信构成威胁。于是这对思念的情侣只好唱起那个信天游：一个在那山上呦一个在那沟， 咱们拉不上个话话哎呀招一招个手。SIMO的情况就好一些了，因为手机的接收能力得到了增强。可以想象得到，手机君终于忍无可忍，既然改变不了无线传输环境，那就改变自己吧，于是它为自己增加了一幅天线。这样一来，从基站发出的消息就有两条路能到达手机了！只是这两条路都来自基站的同一跟天线，只能发送相同的数据。这样一来，每条路上发送的数据，丢一些也没关系，手机只要能从任意一条路径上收到一份就够了，虽然最大容量还是一条路没有变，成功收到数据的概率却提高了一倍。这种方式也叫做接收分集。那么，MISO又是怎么回事呢？我们换一种思路，手机还是保持一根天线，而把基站的天线数增加到了两个。这样一来，这对情侣之间的道路也就变成了两条，基站就能同时发送两份不同的数据吗？从基站君的角度来看确实可以，但手机君只有一根接收天线啊，两条路径最终还是要合成一路。所以基站还是只能发相同的东西，这样一来，每条路上发送的数据，丢一些也没关系，只要不是两条路上的东西都丢了，通信就能正常进行。虽然最大容量还是一条路没有变，通信的成功率却提高了一倍。这种方式也叫做发射分集。最后我们来看看传说中的MIMO到底是怎么回事。基站和手机作为一对情侣，还是要有些默契的。俗话说，心有灵犀一点通，大家都采用两根天线岂不是就能独立发送两路数据，速度翻倍了？这种方式就是大名鼎鼎的MIMO。这样就有基站和手机之间4条传输路径了，似乎复杂了不少，可以肯定的是，因为基站和手机都有两根天线，硬件上具备同时收发两路数据的条件了。那么它的最大容量跟一条路径相比能提升多少呢？从前面对SIMO和MISO的分析来看，最大容量似乎取决于收发双方的天线个数。木桶原理告诉我们：一只水桶能装多少水取决于它最短的那块木板。这就也是判断MIMO最大容量的最简单办法：比较基站和手机的天线数，最大容量总是受制于天线数少的一方。MIMO系统一般写作AxB MIMO，A表示基站的天线数，B表示手机的天线数。大家想想4x4 MIMO和4x2 MIMO的容量哪个大？从木桶原理来判断，4x4 MIMO可以同时发送和接收4路数据，其最大容量可以达到SISO系统的4倍，而4x2 MIMO因为接收天线只有两根，只能同时接收2路数据，其最大容量只能达到SISO系统的2倍，高下立现。这种利用多天线，复用空间中不同的传输路径并行发送多份不同数据来提升容量的方法就叫空分复用。那么，在MIMO模式下，总能达到最大传输容量吗？刚才我们说的都是理论，现在要来到现实之中检验了。我们仍以基站和手机都是2天线为例，在一片开阔地带，这对情侣的距离还相当远，他们之间的传输路径会是什么样的呢？如图所示，这4条路径经过了相同的衰落和干扰，到了手机接收的时候，已经完全分不清彼此了，这不就跟一条路是一样的吗！所以在这个时候，2x2 MIMO系统就退化成了SISO系统，跟单发单收的容量一样了。同理，受制于万恶的信道相关性，根据能分辨出来的传输路径的个数，2x2 MIMO系统还有可能退化成SIMO、MISO等系统，也就意味着从空分复用退化成了发射分集或者接收分集，基站的期望也从追求高速率退化到了保证接收成功率了。按理说，理解到这里就差不多了，可这并不是善于思考的通信工程师的风格。他们惯于使用各种各样的数学符号来研究MIMO系统，把简单的东西复杂化，从定性分析变为定量分析。我们姑且看看用数学符号来研究的MIMO系统是怎么回事。MIMO信道的秘密这些万恶的工程师非常喜欢使用数学符号。他们把基站上两天线发射的数据记为X1和X2，手机两天线上收到的数据记为Y1和Y2，中间的4条传输路径记为h11，h12，h21和h22，就这样搞出了两个二元一次方程。两个未知数Y1和Y2，有两个方程，按理说小学生都可以解出来了。但是为什么有的时候2x2 MIMO的容量可以达到SISO的两倍，有时候是一点几倍，有时候变得和SISO的容量一样了呢？这个问题用刚才所说的信道相关性就可以解释。相关性越高，各个传输路径在手机侧越难区分，就导致了容量的变化，如果各信道完全一样，就相当于这两个方程变成了一个，无法解出两个未知数，所以只能采用一条路传输了。显而易见，MIMO信道的秘密就藏在传输路径的独立性的判断上了，也就是说，玄机隐藏在上面两个方程中的h11，h12，h21和h22这4个系数中。这些工程师对这样的定性解释仍不满足，还嫌方程的写法太啰嗦，把里面的加号省掉，写成了下面这样的形式。里面的h11，h12，h21和h22这4个数字就组成了一个正方形的阵列，又叫矩阵。这些工程师就对这个信道传输矩阵开始了研究，试图以此揭示MIMO信道的秘密。他们试图简化这个矩阵，通过一系列的变换，并参考输出Y来对输入X进行预编码，最终把这个公式转换成了下面这个样子，从此MIMO信道隐藏的秘密昭然若揭。这下简单粗暴，两路输入X’1和X’2，乘上传输系数λ1和λ2，就直接得到Y’1和Y’2了。那λ1和λ2的取值都代表什么含义呢？这个时候，矩阵就又出现了，上面的两个方程写成矩阵的形式就是下面这样的。只有一个对角线有数据的矩阵称为对角阵，其中对角线上非零数据的个数，称为矩阵的秩，在2x2 MIMO中也就指λ1和λ2这俩值中非零的数目了。如果秩为1的话，就表示这个2x2 MIMO系统的传输空间相关性很大，从MIMO退化成了SISO或者SIMO，只能同时收发一路数据；如果秩为2的话，就表示该系统有两条相对独立空间信道，可以同时收发两路数据。那么，秩为2的话，是否这两条传输信道的容量就是一条的两倍呢？答案其实也蕴藏在这个对角阵中的λ1和λ2之内，那就是λ1和λ2的比值，也被称为条件数。如果条件数为1，说明λ1和λ2的值一样，两条空间信道的质量半斤八两，独立性都非常高，2x2 MIMO系统的容量可以达到最大。如果条件数大于1，说明λ1和λ2的值一个大一个小，虽然有两条两条空间信道，但质量不同，这个时候系统就会把主要的资源放在质量好的信道上，2x2 MIMO系统的容量就介于SISO系统的1到2倍之间。然而这些信息都是基站把数据发送出去之后，在空间传输的时候产生的，那么基站是怎么知道什么时候发一路数据，什么时候发两路数据呢？不要忘了，手机和基站是一对，他们之间互通有无，没有任何秘密可言。手机会把自己测量到的信道状态，传输矩阵的秩，以及预编码的建议发给基站参考。到了这里，关于MIMO的那些事也扒地差不多了，已经与你赤裸裸地坦诚相见了。能看到结尾的，都是真爱，谢谢你们。http://weixin.qq.com/r/HC58ZODEi730raQH93sO (二维码自动识别)编辑于 2018-08-15 22:53LTE（4G）MIMO (多输入多输出)无线通信​赞同 747​​44 条评论​分享​喜欢​收藏​申请转载​文章被以下专栏收录无线深海你能看得懂的通信，互联网最新资讯软件无线电软件定义无线

第11章：MIMO基本概念 - 知乎

第11章：MIMO基本概念 - 知乎首发于陈老湿·通信MATLAB仿真切换模式写文章登录/注册第11章：MIMO基本概念陈老湿​中国科学技术大学 信息与通信工程硕士20210602：新增了分集增益的定义，推荐Tse的《Fundamentals of Wireless Communication》。20210708：新增了MIMO的阵列增益介绍。20211129：新增berfading的使用。今天来讲MIMO，MIMO全称是multiple-in multiple-out，多输入多输出。MIMO作为5G NR的核心技术之一，也有许多知识点。本文主要参考材料与代码来源是《MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现》，我也会结合在网上看的其他关于MIMO的资料整理在一起。我一直提到的《MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现》下载地址是：https://github.com/LyricYang/MIMO_OFDM，该书有的代码版本可能老旧，因此需要偶尔改改代码适应新的MATLAB版本才可以正常运行。由于github上不了，后续我将本章代码修改版本上传。第10章内容如下：一、为什么要使用MIMO？二、MIMO的应用：分集、空间复用、阵列增益是什么？三、MIMO信道容量怎么算？四、发送端知道CSI有什么用？五、完整可运行MATLAB代码六、总结一、为什么要使用MIMO？ 由\[c = \lambda f\] ，光速恒定，当电磁波频率增加时，波长变短。图1 接收端功率由图1公式知道，波长越短，功率消耗越大，即接收端收到的功率越小。若想要接收端能收到更大的功率，对于天线来说，有两种办法：1、改善天线设计（比如形状、材料等），来获得增益。然而，通过改善天线设计带来的增益往往不够补偿由于波长过短所带来的大量功率损耗。结合通信工程专业来说，本科建议学习一下《微波技术与天线》这门课程，了解天线相关知识，比如方向图、天线增益、孔径效率等概念，但这门课不介绍天线怎么设计，可能有天线方向专业同学研究吧，哈哈哈哈。推荐我本科看过的课本，是王新稳 李延平编著的《微波技术与天线》第4版，比较适合通信专业学习。2、直接增加天线数量来获得增益。这也是大规模天线的主要动机。5G NR协议中分为FR1和FR2两个频率范围，FR1频率范围是450MHz--6GHz，也就是常说的Sub-6G，FR2频率范围是24.25GHz--52.6GHz，也就是常说的毫米波段。以上内容主要参考：http://www.sharetechnote.com/ 的Massive MIMO部分，这个网址的内容写得不错。二、MIMO的应用：分集、复用、波束赋形是什么？通信的两个关键指标：可靠性与有效性。分集就是为了可靠性的，复用是为了有效性的。在AWGN信道时，随着SNR增加，BER曲线的斜率趋于无穷大，即信道是呈现出流水式的误码率性能。但对于瑞利衰落信道，误码率曲线在对数-对数坐标下的斜率是直线的。想一想，这是为什么呢？关于MPSK在AWGN和瑞利衰落信道的误码率情况，可以参考我写的《陈老湿：第7章：OFDM 信道估计与均衡（1）》与《陈老湿：第7章：OFDM 信道估计与均衡（2）》。发射端将同一消息的一个或多个信号传递出去，在接收端将该消息的两个或多个受扰不同的信号(或称复制品)利用选择或合并电路恢复传递消息，以获得比任何单个信号所得到的消息质量更好的技术，称为分集。分集的方式：空间分集、时间分集、极化分集、频率分集、角度分集。时间分集：相同的信息在足够大的时间间隔（大于相干时间）重复发送。为什么要大于相干时间呢？这是因为在相干时间之内，可认为信道是没有发生太大的变化。因此，为了使得重复发送的信号，经过信道时，是相互独立的。这样接收端将携带同一信息的这几份信号进行处理，才能获得比较好的分集增益。注意分集主要是为了对抗衰落对性能的影响，接收机可以利用各个天线上信号衰落的独立性，减少合并信号的幅度（也可以理解成信噪比的方差），以此获得更好的性能增益。类比来说，对于频率分集：相同的信息在足够大的频率间隔（大于相干带宽）重复发送。复用是让MIMO发送独立的数据流，获得更高的传输速率。空分复用主要有层映射和预编码两个步骤，在复用这一部分内容，将会接触经典的ZF、MMSE等算法。上面说到分集增益，我之前也一直听说这个词，分集增益的定义是怎么样的呢？先看到《MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现》中，分集增益表现为差错概率曲线的斜率。再看到Tse的《Fundamentals of Wireless Communication》中第3.2节时间分集中，通常将不同的分集支路数L称为系统的分集增益。另外，推荐Tse的《Fundamentals of Wireless Communication》这本书，阅读起来比较难，但偶有看懂，便有所收获。那怎么用MATLAB来画出上面类似图3.6一样的曲线图呢？这就要说到berfading的使用了。EbNo = 8:2:20;

ber = zeros(length(EbNo),20);

for L = 1:20

ber(:,L) = berfading(EbNo,'psk',4,L);

end

semilogy(EbNo,ber,'b')

text(18.5, 0.02, sprintf('L=%d',1))

text(18.5, 1e-11, sprintf('L=%d',20))

title('QAM over Rayleigh Fading Channel with Diversity Order 1 to 20')

xlabel('E_b/N_0 (dB)')

ylabel('BER')

grid onQPSK调制下，分集阶数对误码率的影响关于空间复用的内容，可以参考陈老湿：第12章：空间复用MIMO系统的信号检测什么时候使用空间复用呢？什么时候使用分集呢？图片来自《5G NR in Bullets》的P93除了分集和空间复用，使用MIMO带来的另外一个增益——阵列增益（Array Gain）。图片来自《5G NR in Bullets》的P92注意区分阵列增益和分集增益的不同，在发射分集这个场景中，不同的天线发射相同的信号，但不同的信号所经历的信道是不相关的，接收端合成这几份信号，用于改善信道衰落对于信号的影响。但是对于阵列增益来说，将多个天线合成形成一个新的天线方向图，所发送的是一份信号，用于改善接收信号的信干噪比（SINR），或者说提高合并会后信号的信干噪比（SINR）。为什么可以改善接收信号的信干噪比呢？这就需要知道方向图乘积定理了，以均匀直线阵为例，结合下面图4-34，从图中可以看出，当天线数越多，主瓣宽度越窄，增益越大。再举一个例子，在5G NR中，一个SSB突发集中SSB的个数越多，基站就可以用更窄的波束去发送SSB，从而获得更大的波束赋形增益和更好的覆盖效果。理论基础便是来源于图4-34。此外，使用MIMO，通过IRC算法或者MRC算法等，可以获得干扰抑制增益。而在王映民的《5G移动通信系统设计与标准详解》书籍中P65页提到PDCCH多天线方案主要有以下几种：波束赋形、发射分集、MU-MIMO（多用户MIMO）和空分复用。我个人认为，这里提到的波束赋形和《5G NR in Bullets》中提到的阵列增益对应场景是一致的。至于波束赋形又分为模拟波束赋形和数字波束赋形，这又是另一大块的内容，且是比较热门，同时我还没有做过相关仿真的一块内容。三、MIMO信道容量怎么计算？首先记住一个结论：MIMO和传统的单天线系统相比，在不需要额外的发射功率和频带资源情况下，多天线的信道容量是与 \[\min \left( {{N_{{T_x}}},{N_{{R_x}}}} \right)\] 增加的，其中 \[{{N_{{T_x}}}}\] 是发射天线数， \[{{N_{{R_x}}}}\] 是接收天线数。图2 MIMO系统图从公式（9.10）可知，MIMO的本质就是线性方程组。当未知数的个数小于等于方程的个数时，且H矩阵可逆，则可以求出未知数。能求出来的未知数个数，就是矩阵的秩。接下来分情况讨论MIMO信道容量：图3 不同情况下的信道容量在《MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现》对以上三种情况均给出了详细的公式推导，需要用到矩阵分析、信息论等课程知识，我便不加证明地直接给出不同情况下的MIMO信道容量计算公式。1、确定性MIMO信道容量CSI全称是Channel State Information，信道状态信息。（1）发送机已知CSI利用注水算法，对各个信道上的信号进行功率分配，即给在信道条件较好上传输的信号分配较多的功率，信道条件较差上传输的信号分配较少的功率。那么注水算法是怎么通过代码来实现的呢？（后面运行代码可以知道）这里有两点需要注意：a）发射端是不知道H的，是接收端通过反馈告诉发送端的。当然，可能直接反馈H，也可以反馈V。b）发送端在发送数据前就知道与信道相对应的V，这显然是不可能的。这个概念和非因果有点像。（2）发射端未知CSI2、随机MIMO信道容量如果MIMO信道时随机变化的，也就是说信道矩阵是随机的，所以MIMO信道容量也是随机的。换句话说，MIMO信道的容量可以通它的时间平均给出。看公式一般比较无聊，后面结合书中给出的代码直观感受下MIMO信道容量。四、发送端知道CSI有什么用？在上面MIMO信道容量计算中，有一种情况是发送端知道CSI，那么问题来了：发送端是怎么知道CSI的？这要分为两种情况：1、如果做的是一个TDD（Time Division Duplex，时分双工）系统，也就是说上下行使用相同的频率，但是在不同的时间进行上下行数据传输。此时，移动台发一个导频给基站，基站完成上行的信道估计，由于信道互易性，基站将估计出来的上行CSI也当做下行CSI。关于信道互易性需要注意：一般上下行发射存在一个时间差，如果这个时间差小于相干时间，那么信道互易性就是可以利用的特性。我举个数值例子来帮助理解，比如10ms是TDD系统的一个上下行发送周期。0-4ms是移动台给基站发数据，6-10ms是基站给移动台发送数据。0-1ms时，基站估计出来的上行CSI，到了第6ms时，信道已经发生变化了，那这样的估计就是超过信道的相干时间了，此时便不能将基站估计出来的上行CSI当做下行CSI。在这里再次复习一下快衰落、慢衰落，平坦衰落和频率选择性衰落的概念，信道的时间选择性是由多普勒频移引起的，频率选择性是由时延扩展引起的。（这句话是无线通信的基本概念，赶紧先记住再说，哈哈哈哈哈）2、如果做的是一个FDD（Frequency Division Duplex，频分双工）系统，也就是说上下行使用相同的时间，但是在不同的频率进行上下行数据传输。这种情况下，基站只能依靠来自移动端的反馈信息来判断下行信道情况。举个形象例子说，移动端需要通过上行信道告诉基站说：基站，你好，你和我移动端的下行信道CSI还不错或者很差。同时带来两个问题：（1）开销大：移动台反馈CSI给基站，消耗系统带宽资源；且反馈信息是随着天线数目的增加而增加的。尤其是对于多天线系统来说，这个问题体现非常突出。（2）有效性要求：倘若信道变化较快，比如快衰落信道，这便需要移动台更加密集地进行信道估计，以此来反映信道估计的有效性。移动台反馈CSI给基站，消耗过多资源，那移动台能否不反馈CSI给基站呢，或者只反馈关于CSI的一部分信息给基站呢？这就涉及码本设计的内容了，这部分内容我后面再讲。回答最初的问题，发送端知道了CSI有什么作用？发射端利用CSI，可以用来做预编码和天线选择技术，分别对应数字预编码和模拟预编码。在这里还需要强调一句：对于TDD来说，是一个半双工系统，而对于FDD来说，是一个全双工系统。评价一个系统是否为双工系统的标准便是能否在同一时刻进行上下行数据传输，对于TDD来说，显然是不行的。五、完整可运行MATLAB代码%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 观察不同天线配置下的信道遍历容量 %%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Ergodic_Capacity_vs_SNR_sim1.m %%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% date:2021年2月20日 改编:飞蓬大将军 %%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%程序功能说明

%%%%%用来观察不同天线配置下的信道遍历容量

%%%%%注意点，H矩阵维度表示Nrx*Ntx

clear all, close all

SNR_dB=[0:5:20];

SNR_linear=10.^(SNR_dB/10.);

N_iter=1000;

for Icase=1:5

if Icase==1

nT=4; nR=4; % 4x4

elseif Icase==2

nT=2; nR=2; % 2x2

elseif Icase==3

nT=1; nR=1; % 1x1

elseif Icase==4

nT=1; nR=2; % 1x2

else

nT=2; nR=1; % 2x1

end

n=min(nT,nR);

I = eye(n);

C(Icase,:) = zeros(1,length(SNR_dB));

for iter=1:N_iter

H = sqrt(0.5)*(randn(nR,nT)+j*randn(nR,nT));

if nR>=nT

HH = H'*H;

else

HH = H*H';

end

for i=1:length(SNR_dB) %random channel generation

C(Icase,i) = C(Icase,i)+log2(real(det(I+SNR_linear(i)/nT*HH)));

end

end

end

C = C/N_iter;

figure, plot(SNR_dB,C(1,:),'b-o', SNR_dB,C(2,:),'b-<', SNR_dB,C(3,:),'b-s');

hold on, plot(SNR_dB,C(4,:),'b->', SNR_dB,C(5,:),'b-^');

xlabel('SNR[dB]'); ylabel('bps/Hz'); set(gca,'fontsize',10); grid on

s1='{\it N_T}=1,{\it N_R}=1'; s2='{\it N_T}=1,{\it N_R}=2';

s3='{\it N_T}=2,{\it N_R}=1'; s4='{\it N_T}=2,{\it N_R}=2'; s5='{\it N_T}=4,{\it N_R}=4';

legend(s1,s2,s3,s4,s5)

%%%%%%%%%实验结论

%%%（1）可以画出发射机未知CSI时的MIMO信道容量

%%%（2）但是没有分析出为什么Ntx = 1,Nrx =1这种情况会比别的情况好图4 发射机未知CSI时的MIMO信道容量%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 开环和闭环下的信道容量 %%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% OL_CL_Comparison_sim1.m %%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% date:2021年2月20日 改编:飞蓬大将军 %%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%程序功能说明

%%%%%观察MIMO在开环和闭环下的信道容量，注水算法的理

clear all, close all;

SNR_dB=[0:5:20];

SNR_linear=10.^(SNR_dB/10.);

N_iter=1000;

%%----------------- 4x4 -----------------------------

nT=4;

nR=4;

n=min(nT,nR);

I = eye(n);

rho=0.2;

sq2=sqrt(0.5);

Rtx=[1 rho rho^2 rho^3;

rho 1 rho rho^2;

rho^2 rho 1 rho;

rho^3 rho^2 rho 1];

rho=0.2;

Rrx=[1 rho rho^2 rho^3;

rho 1 rho rho^2;

rho^2 rho 1 rho;

rho^3 rho^2 rho 1];

C_44_OL=zeros(1,length(SNR_dB));

C_44_CL=zeros(1,length(SNR_dB));

for iter=1:N_iter

Hw = sq2*(randn(4,4) + j*randn(4,4));

H = Rrx^(1/2)*Hw*Rtx^(1/2);

tmp = H'*H/nT;

SV = svd(H'*H);

for i=1:length(SNR_dB)

%random channel generation

C_44_OL(i) = C_44_OL(i) + log2(det(I+SNR_linear(i)*tmp));

Gamma = Water_Pouring(SV,SNR_linear(i),nT);

C_44_CL(i) = C_44_CL(i)+log2(det(I+SNR_linear(i)/nT*diag(Gamma)*diag(SV)));

end

end

C_44_OL = real(C_44_OL)/N_iter;

C_44_CL = real(C_44_CL)/N_iter;

figure, plot(SNR_dB, C_44_OL,'-o', SNR_dB, C_44_CL,'-<');

xlabel('SNR [dB]');

ylabel('bps/Hz');

set(gca,'fontsize',10);

legend('Channel Unknown','Channel Known');

grid on图5 信道已知和未知时，MIMO信道容量从图5中可看出，闭环系统能够提升比开环系统更大的容量。但是在平均SNR很高时，CSI的获取并不能改善信道的质量。以我自己的话理解，当平均SNR很高时，说明信道条件已经非常好，这时候闭环系统相比开环系统性能改善就不是很大，而当平均SNR很小时，说明信道条件不是很好，接收端可不能随便分配功率呢，万一分配不好，就将功率分配到信道条件较差的信道上去了，所以此时闭环系统相比开环系统的性能改善就比较好。在OL_CL_Comparison_sim1.m中，有注水算法的实现，值得好好理解。如果MIMO信道间不是独立同分布的，即发射天线和接收天线存在相关性会使得信道容量减少。%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 观察信道相关对MIMO信道容量的影响 %%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Ergodic_Capacity_Correlation_sim1.m %%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% date:2021年2月20日 改编:飞蓬大将军 %%%%%%%%%%

%%%%%%%%%%%%%%%%%程序功能说明

%%%%%观察信道相关对MIMO信道容量的影响

clear all, close all;

SNR_dB=[0:5:20];

SNR_linear=10.^(SNR_dB/10);

N_iter=1000;

N_SNR=length(SNR_dB);

%%----------------- 4x4 -----------------------------

nT=4;

nR=4;

n=min(nT,nR);

I = eye(n);

sq2=sqrt(0.5);

R=[1 0.76*exp(0.17j*pi) 0.43*exp(0.35j*pi) 0.25*exp(0.53j*pi);

0.76*exp(-0.17j*pi) 1 0.76*exp(0.17j*pi) 0.43*exp(0.35j*pi);

0.43*exp(-0.35j*pi) 0.76*exp(-0.17j*pi) 1 0.76*exp(0.17j*pi);

0.25*exp(-0.53j*pi) 0.43*exp(-0.35j*pi) 0.76*exp(-0.17j*pi) 1 ];

C_44_iid=zeros(1,N_SNR);

C_44_corr=zeros(1,N_SNR);

for iter=1:N_iter

H_iid = sq2*(randn(nR,nT)+j*randn(nR,nT));

H_corr = H_iid*R^(1/2);

tmp1 = H_iid'*H_iid/nT;

tmp2 = H_corr'*H_corr/nT;

for i=1:N_SNR

C_44_iid(i) = C_44_iid(i) + log2(det(I+SNR_linear(i)*tmp1));

C_44_corr(i) = C_44_corr(i) + log2(det(I+SNR_linear(i)*tmp2));

end

end

C_44_iid = real(C_44_iid)/N_iter; C_44_corr = real(C_44_corr)/N_iter;

plot(SNR_dB,C_44_iid, SNR_dB,C_44_corr,':');

xlabel('SNR [dB]'); ylabel('bps/Hz'); set(gca,'fontsize',10)

legend('iid 4x4 channels','correlated 4x4 channels');

%%%%%%%%%实验结论

%%%% 信道相关会减少信道容量，注意信道相关矩阵的产生图6 信道相关导致信道容量减少六、总结与MIMO相关的概念有非常多，比如数字预编码、模拟预编码、波束赋形、分集、复用等等。在学习5G NR 协议时，也常常会碰到MIMO相关的知识，比如层映射、信道估计等等。写文章或者给别人讲，也是梳理自己脑海零散知识点，构建知识体系的过程。《陈老湿·通信MATLAB仿真》这个系列文章，我也是边学理论，边看代码，边写文章的，欢迎读者交流。欢迎你双击屏幕、点赞、收藏、转发和分享，关注我的知乎号，也欢迎读者朋友就相关技术问题与我交流，一起学习，共同进步。请你也别忘了把这篇文章分享给你身边正在学习通信专业的同学们，也许能够帮到Ta。这是《陈老湿·通信MATLAB仿真》的第11章，下次更新见！编辑于 2023-02-18 09:38・IP 属地上海MIMO (多输入多输出)无线通信通信原理​赞同 420​​45 条评论​分享​喜欢​收藏​申请转载​文章被以下专栏收录陈老湿·通信MATLAB仿真《通信MATLAB仿真》合集一键直达所有

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MIMO

目录·概述·优点·潜力·MIMO发展历史·MIMO-OFDM复合技术·MIMO技术·D-BLAST·V-BLAST·MIMO技术分类·MIMO 的研究状况·MIMO研究重大历程·MIMO的应用概述 　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output），指通过使用多个天线在同一信道上同时发送和接收多个数据流来提升数据传输速率。 　　MIMO系统是一项运用于802.11n的核心技术。802.11n是IEEE继802.11b\a\g后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。同时，专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。 　　MIMO 表示多输入多输出。读/maimo/或/mimo/，通常美国人前者，英国人读后者，国际上研究这一领域的专家较多的都读读/maimo/。通常用于 IEEE 802.11n，但也可以用于其他 802.11 技术。MIMO 有时被称作空间多样，因为它使用多空间通道传送和接收数据。只有站点（移动设备）或接入点（AP）支持 MIMO 时才能部署 MIMO。 优点 　　MIMO 的优点是能够增加无线范围并提高性能。连接到老的 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，如果使用老站点，从 25 英尺的距离连接到接入点的速度是 1Mbps；而使用 802.11n MIMO 时站点的速度为 2Mbps。增加到 2Mbps 的范围，允许用户在更远的距离保持连接。 　　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）的当前或老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。它允许天线同时传送和接收。 　　老接入点到老客户端 - 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 　　可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用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。 　　利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 潜力 　　通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。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。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。 　　特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。 　　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。 　　系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为： 　　C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2) 　　其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。 　 　　理论容量与天线数关系： 　　1、四条信道容量曲线的发射天线数量 都为4，以接收天线数量 为横轴，信噪比依次为0dB、5dB、10dB、15dB。从这四条不同的曲线我们可以得出结论： 　 　　（1）发射天线数量一定，信噪比不变时信道容量随着接收天线数的增多而增大，且增大的幅度越来越小。 　 　　（2）发射天线和接收天线的数量均相同，信道容量随信噪比的增大而增大。 　　 　　2、四条信道容量曲线的接收天线数量 都为4，以发射天线数量 为横轴，信噪比分别为0dB、5dB、10dB、15dB。从这四条不同的曲线我们可以得出结论： 　　 　　（1）接收天线数量一定，信噪比不变时信道容量随着发射天线数的增多大，增大的幅度会越来越小。 　 　　（2）当发射天线数大于接收天线数时，信道容量增大的幅度会大幅度减缓，当 >10以后，信道容量基本上就没有多大变化。 　　 　　由上述结论我们可以看到信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以在不增加带宽和天线发送功率的情况下利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，证明了MIMO信道系统理论的正确性 MIMO发展历史 　　1990年代，全世界无线通信领域均针对多天线系统进行研究，希望实作出能指向接收者之波束成型技术，亦即是所谓智慧型天线 ―― 一种能使波束聪明地追踪接收者（即移动电话）的技术，如同有个人持着天线到处移动，就像一道自手电筒射出的光束可追踪一位在黑暗中移动的人一样。智慧型天线借由波束对其指向（亦即对目标接收者）的相长干涉（constructive interference）及同时间该波束对目标接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference）来增加信号增益，以实现上述智慧型天线的优点，并对于此发送单位上的多天线间，采用一较窄的天线间距来实作此波束。一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距，以满足空间上的采样定理且避免旁瓣辐射（grating lobes），亦即空间上的混叠。 　　波束成型技术的缺点乃是在都市的环境中，信号容易朝向建筑物或移动的车辆等目标分散，因而模糊其波束的集中特性（即相长干涉），丧失多数的信号增益及减少干扰的特性。然而此项缺点却随着空间分集及空间多工的技术在 1990 年代末的发展，而突然转变为优势。这些方法利用多径（multipath propagation）现象来增加资料吞吐量、传送距离，或减少比特错误率。这些型态的系统在选择实体的天线间距时，通常以大于被发送信号的波长的距离为实作，以确保 MIMO 频道间的低关联性及高分集阶数（diversity order）。 MIMO-OFDM复合技术 　　MIMO 此科技与平坦衰落信道（flat fading channels）兼用时最佳，以降低接收端信道等化器之复杂度及维持接收端的低功率耗损，也因此 MIMO 多半与 OFDM 结合为复合技术。MIMO-OFDM 同时为 IEEE 802.16 及 IEEE 802.11n HT（High-Throughput）的采用标准之一。WCDMA 的系统，如 HSDPA，亦进行将 MIMO 技术标准化的动作。 MIMO技术 　　所谓的MIMO，就字面上看到的意思，是Multiple Input Multiple Output（多入多出）的缩写，大部分您所看到的说法，都是指无线网络讯号通过多重天线进行同步收发，所以可以增加资料传输率。 　　然而比较正确的解释，应该是说，网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线讯号在传送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合，因此接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的资料重新作组合，然后传送出正确且快速的资料流。 　　由于传送的资料经过分割传送，不仅单一资料流量降低，可拉高传送距离，又增加天线接收范围，因此MIMO技术不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传输速度，而且又不用额外占用频谱范围，更重要的是，还能增加讯号接收距离。所以不少强调资料传输速度与传输距离的无线网络设备，纷纷开始抛开对既有Wi-Fi联盟的兼容性要求，而采用MIMO的技术，推出高传输率的无线网络产品。 　　MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到 ，单天线衰落信道的平均误差概率为 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。 　　分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被称为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。 　　根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。 D-BLAST 　　D-BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J. Foschini提出。原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，如图1.b所示，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。如图1.b所示，在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证D-BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M(发送天线数目)个发送时间间隔 ，那么burst的长度越小，这种浪费越严重。它的数据检测需要一层一层的进行，如图1.b所示：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b2…… V-BLAST 　　另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。如图所示，它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。 　 　　考虑到D-BLAST以及V-BALST模式的优缺点，一种不同于D-DBLAST与V-BLAST的空时编码结构被提出：T-BLAST。等文献分别提及这种结构。它的层在空间与时间上呈螺纹(Threaded)状分布，如图2所示。原始数据流被多路分解为若干子流之后，每个子流被对应的天线发送出去，并且这种对应关系周期性改变，与D-BLAST系统不同的是，在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送，而是所有天线均进行发送，使得单从一个发送时间间隔 来看，它的空时分布很像V-BALST，只不过在不同的时间间隔中，子数据流与天线的对应关系周期性改变。更普通的T-BLAST结构是这种对应关系不是周期性改变，而是随机改变。这样T-BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。 MIMO技术分类 　　MIMO通信技术包括以下领域： 　　空分复用（patial 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） 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。 MIMO 的研究状况 　　在MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多入多出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中，均假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。 　　另外实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。目前各大公司均在研制实验系统。 　　Bell实验室的BLAST系统[4]是最早研制的MIMO实验系统。该系统工作频率为1.9GHz，发射8天线，接收12天线，采用D-BLAST算法。频谱利用率达到了25.9bits/(Hz・s)。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在3G、4G应用尚有相当大距离。在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。在上述具体实验系统中，每一基台各设置2副发送天线和3副接收天线，而每一用户终端各设置1副发送天线和3副接收天线，即下行通路设置2×3天线、上行通路设置1×3天线。这样与“单输入/单输出天线”SISO相比，传输上取得了10～20dB的好处，相应地加大了系统容量。而且，基台的两副发送天线于必要时可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速率可以加倍。 　　朗讯科技的贝尔实验室分层的空时（BLAST）技术是移动通信方面领先的MIMO应用技术，是其智能天线的进一步发展。BLAST技术就其原理而言，是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”，在接收端对其进行“恢复”。利用BLAST技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路容量。BLAST技术证明，在天线发送和接收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效果，提高系统容量。理论研究业已证明，采用BLAST技术，系统频谱效率可以随天线个数成线性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，系统容量就能够得到不断提升。这也充分证明BLAST技术有着非常大的潜力。鉴于对于无线通信理论的突出贡献，BLAST技术获得了2002年度美国ThomasEdison（爱迪生）发明奖。 MIMO研究重大历程 　　2002年10月，世界上第一颗BLAST芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，贝尔实验室研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了贝尔实验室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技术的芯片，这一芯片支持最高4×4的天线布局，可处理的最高数据速率达到19.2Mbps。该技术用于移动通信，BLAST芯片使终端能够在3G移动网络中接收每秒19.2兆比特的数据，现在，朗讯科技已经开始将此BLAST芯片应用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同时还计划授权终端制造商使用该BLAST芯片，以提高无线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，并称其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技术的批量上市产品。AGN100使用该公司的多天线传输和接收技术，将现在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同时保持与所有常用Wi-Fi标准的兼容性。该产品集成两片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一种可伸缩结构，使制造商可以只使用一片RF芯片实现单天线系统，或增加其他RF芯片提升性能。该芯片支持所有的802.11 a、b和g模式，包含IEEE 802.11工作组推出最新标准(包括TGi安全和TGe质量的服务功能)。 　　Airgo的芯片组和目前的Wi-Fi标准兼容，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和以前的802.11设备通讯，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a设备通讯的同时还可以以108Mbps的速度和Airgo的设备通讯。 MIMO的应用 　　无线宽带移动通信 　　为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成MIMO通信链路。应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类：一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区，这一类可以称为集中式MIMO；另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区，可以称为分布式MIMO。 　　传统蜂窝移动通信系统 　　MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列。基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行MIMO通信。从系统结构的角度看，这样的MIMO系统与传统的单入单出(SISO)蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。 　　和传统的分布式天线系统相结合 　　传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损耗，能够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。最近在MIMO技术的研究中发现，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]成为MIMO技术的重要研究热点。 　　在采用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接。具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信，与基站建立了MIMO通信链路。这样的系统结构不仅具备了传统的分布式天线系统的优势，减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过MIMO技术显著提高了信道容量。与集中式MIMO相比，DWCS的基站天线之间距离较远，不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容量更大。总体上说，分布式MIMO系统的信道容量更大，系统功耗更小，系统覆盖性能更好，系统具有更好的扩展性和灵活性。 　　分布式MIMO的DWCS系统也带来了一些新问题。移动台和小区内邻近的天线建立的MIMO链路，由于基站不同天线的位置不同，它们距离移动台的距离不同，使得基站端的多个天线的信号到达移动台的延时也不同，因此带来新的研究问题。目前在这方面研究较多的是进行容量分析。除此之外的研究内容还包括：具体的同步技术、信道估计、天线选择、发射方案、信号检测技术等，这些问题有待深入研究。 　　无线通信领域 　　MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容，B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中，正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中，如超宽带(UWB)系统、感知无线电系统(CR)，都在考虑应用MIMO技术。 　　随着使用天线数目的增加，MIMO技术实现的复杂度大幅度增高，从而限制了天线的使用数目，不能充分发挥MIMO技术的优势。目前，如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度，成为业界面对的巨大挑战。

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_百度百科 网页新闻贴吧知道网盘图片视频地图文库资讯采购百科百度首页登录注册进入词条全站搜索帮助首页秒懂百科特色百科知识专题加入百科百科团队权威合作下载百科APP个人中心多进多出播报讨论上传视频天线系统收藏查看我的收藏0有用+10本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目 审核 。多进多出（MIMO）是为极大地提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统。MIMO系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率，在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益，其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。大规模MIMO技术采用大量天线来服务数量相对较少的用户，可以有效提高频谱效率。中文名称多进多出英文名称multiple-in multipleout;MIMO定　　义为极大地提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统。应用学科通信科技（一级学科），移动通信（二级学科）以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布中文名多进多出外文名multiple input multiple output别    名多入多出简    称MIMO本    质一种相当复杂的天线分集技术应用学科通信科技，移动通信目录1定义2多进多出阵列3MIMO系统▪关键模块▪MIMO技术基本原理4大规模MIMO▪技术优势▪大规模MIMO与传统MIMO性能对比定义播报编辑多进多出（multiple input multiple output，MIMO）是为极大地提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统。多进多出是一种相当复杂的天线分集技术。多径效应会影响信号质量，因此传统的天线系统都在如何消除多径效应上动脑筋。而MIMO系统正好相反，它利用多径效应来改善通信质量。在MIMO系统中，收发双方使用多副可以同时工作的天线进行通信。MIMO系统通常采用复杂的信号处理技术来显著增强可靠性、传输范围和吞吐量。发射机采用这些技术同时发送多路射频信号，接收机再从这些信号中将数据恢复出来。 [1]多进多出阵列播报编辑要提高系统的吞吐量，一个很好的方法就是提高信道的容量。MIMO可以成倍地提高衰落信道的信道容量。根据信息论最新成果，假定发送天线数为m，接收天线数是n，则在每个天线发送信号能够被分离的情况下，有如下信道容量公式： ， ，式中SNR是每个接收天线的信噪比。 [2]根据这个工具，对于采用多天线阵发送和接收技术的系统，在理想情况下信道容量将随着m线型增加，从而提供了目前其他技术无法达到的容量潜力。其次，由于多天线阵发送和接收技术本质上是空间分集与时间分集技术的结合，有很好的的抗干扰能力；进一步将多天线发送和接收技术与信道编码技术结合，可以极大地提高系统的性能，这样导致了空时编码技术的产生。空时编码技术真正实现了空分多址，是将来无线通信中必然选择的技术之一。 [2]MIMO天线阵列，是一种开环的MIMO技术，m个发送天线，使用编码重用技术将同样码集的每个码重复使用m次，每个码用来调制不同的数据子流，这样在不增加码资源的基础上提高了原始数据的传输速率。为了分辨m个数据子流，在接收端也要使用多天线和空间信号处理。 [2]MIMO技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。这两种形式在WiMAX技术中都得到了应用。WiMAX技术还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。目前MIMO技术正在被开发应用到各种高速无线通信系统中。 [2]为充分利用MIMO的容量，人们提出了不同的空时处理方案。贝尔实验室提出了一种分层空时结构，它将信源数据分成几个子数据流，独立地进行编码调制，因而它不是基于发射分集的。AT&T在发射延迟分集的基础上正式提出了基于发射分集的空时编码。同时，一种简单的发送分集方案也被提出，并将它进一步推广提出了空时分组编码，由于它具有很低的译码复杂度，已经被正式列入WCDMA标准中。空时编码是一种把编码、调制和空间分集结合起来的新兴技术，也成为后3G技术中重要的一部分。 [2]MIMO系统播报编辑MIMO无线通信系统是未来移动与无线通信系统的关键技术之一。MIMO系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率，在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益，其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。关键模块1.MIMO系统信道模型建模MIMO系统的性能在很大程度上取决于信道模型，尽管目前已经存在标准化的无线传播模型，并且在大量实测与理论研究工作的基础上提供了许多种MIMO信道模型，但是至今还没有被ITU所认可的标准化MIMO信道模型（3GPP已制定出了有关MIMO的信道模型标准）。因此，了解和掌握户内和户外环境中无线MIMO信道的特性，建立MIMO信道的静态模型和特定的动态模型，对选择合适的系统结构和设计优良的信号处理算法以实现MIMO系统潜在的巨大信道容量、取得预期的性能至关重要。 [3]2.MIMO系统的容量相对于传统的单天线系统，MIMO系统无论在性能还是在数据的传输速率上都是有很大的提高，首先对MIMO系统的信道容量进行了深入分析的是Telestar和Foschini，它们分别对高斯噪声下的MIMO系统容量的研究表明，在假设各天线相互独立条件下，多天线系统比单天线系统有显著地提高，考虑M副发送天线、N幅接收天线的无线传输系统，在接收端以准确知道信道传输特性的情况下，Foschini的研究表明：当M=N时，得到的与N成比例增加的信道容量。在相同发射功率和传输宽带下，该系统比单入单出（SISO）系统的信道容量提高了约40多倍。 [3]3.MIMO天线阵列的设计一般情况下，基站天线架设的较高，天线阵列周围的近场散射相对较为微弱，因而为了在不同阵元上获取不相关的信号往往需要将阵元间至少保持10倍波长间距。当天线数量较大时，基站线阵列的架设将可能存在障碍。对于移动终端而言，由于近场散射体较为丰富，一般认为天线阵元间距1/2波长以上就可以使信号相关性足够微弱。极化天线阵可以在同一空间位置利用相互正交的极化状态实现阵元见得不相关性，因而可相对的减小天线阵列的尺寸。 [3]4.MIMO系统的信号处理处于衰落环境中的阵列天线通信系统面临着同信道干扰和符号间干扰。为了逼近多天线系统的容量需要很好地信号处理技术。高性能、低复杂度的信号检测方法或联合检测方法一直是研究者的热点内容。 [3]5.MIMO系统的复杂度问题由于MIMO系统中信号被扩展至空时二维中，与单天线系统相比，其信道估计、信道均衡、译码、检测环节的复杂度都将随着天线数量或者信号调制阶数的增长而急剧增加，而算法计算量又将直接影响到处理时延、设备功耗以及待机时间。同时，在实际应用中，限制MIMO系统的一个关键因素就是多个射频链路所带来的的昂贵成本。对于降低“软件”的计算复杂度，为MIMO系统提供更为简单而且有效的信号处理方法和各种空时编、译码方案层出不穷。对于降低“硬件”成本，天线选择则是一项非常关键的技术，其可在保持MIMO技术优点的同时，大幅度降低处理复杂度和硬件成本，是将MIMO系统推向实用化的一个研究重点。6.MIMO系统的分集与复用MIMO系统的本质是提供分集增益和复用增益。前者保证系统的传输可靠性，后者提高系统的传输速率。早期文献大多数集中在发送分集和空间复用单独使用或单独与编码结合使用，研究表明，多天线系统能同时提供分集和空间复用，两者之间存在折衷关系。通过合理利用MIMO系统分集和复用两种模式来最大限度获得系统增益是非常值得探讨的。7.（多小区）多用户MIMO系统从理论上讲，多用户MIMO系统的容量域已经得到解决，但是如何让容量域满足各种用户对传输速率的要求，仍然没有很好地解决。再者，在广播信道中，由于MIMO系统存在天线间和用户间干扰，如何设计发送向量以消除用户间的共信道干扰，如何使功率受限时系统的容量和每个用户特定QoS的功率控制最优化的问题，以及存在多小区多用户系统时的相关技术仍是研究重点。 [3]MIMO技术基本原理MIMO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。MIMO技术的实质是为系统提供空间分集增益与空间复用增益。 [3]发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去，接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。根据空时映射方法的不同，MIMO技术大致可以分为两类：空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用一根发射天线n 根接收天线，发送信号通过n 个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n 根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时分组码（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技术。STBC是基于发送分集的一种重要编码形式，其中最基本的是针对二天线设计的Alamouti方案。STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天线上面要传输的信号矢量相互正交。使用STBC技术，能够达到满分集的效果，即在具有M根发射天线N 根接收天线的系统中采用STBC技术时最大分集增益为MN。波束成形技术是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效提高天线增益。为了能够最大化指向用户的波束的信号强度，通常波束成形技术需要计算各个发射天线上发送数据的相位和功率，也称之威波束成形矢量。常见的波束成形矢量计算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根发射天线采用波束成形技术可以获得的最大发送分集增益为M。空间复用技术是将要传送的数据可以分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。常用的空间复用方法是贝尔实验室提出的垂直分层空时码，即V-BLAST技术。大规模MIMO播报编辑智能终端迅速普及将移动数据业务需求推到一个更高的水平上，从而导致了频谱资源的严重短缺。大规模技术主要挑战包括导频污染、波束赋型、预编码和高性能信号检测等。 [4]技术优势大规模MIMO技术采用大量天线来服务数量相对较少的用户，可以有效提高频谱效率。国内外研究机构围绕吞吐量、传输功率效率、预编码和接收端设计等方面对大规模技术进行了深入研究。另一方面，能耗效率是又一关键性能指标。大规模MIMO不仅能够有效提高系统信道容量，同时还能显著改善无线系统的能耗效率。 [4]大规模MIMO与传统MIMO性能对比大规模MIMO与传统MIMO相比具有诸多特点。导频污染成为大规模MIMO技术的关键性限制因素，这是因为随着基站天线数量的增加，相邻小区的用户在上行道估计中使用同一组（或非正交的）训练序列，从而导致基站端信道估计结果并非本地用户和基站间的信道，而是被其他小区用户发送的训练序列所污染的估计。此外，信道测量、建模与估计、波束赋型/预编码与检测设计、硬件复杂度等问题也将限制大规模MIMO系统的实现。 [4]新手上路成长任务编辑入门编辑规则本人编辑我有疑问内容质疑在线客服官方贴吧意见反馈投诉建议举报不良信息未通过词条申诉投诉侵权信息封禁查询与解封©2024 Baidu 使用百度前必读 | 百科协议 | 隐私政策 | 百度百科合作平台 | 京ICP证030173号 京公网安备110000020000

一文读懂MIMO（从MIMO到Massive MIMO） - RF技术社区

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深入理解MIMO技术及其演进：从MIMO到Massive MIMO

发布时间：2021-10-08 20:53:42

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

标签：MIMO天线

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一、MIMO的定义和意义

 

MIMO（Multiple Input Multiple Output）是一种多输入多输出系统，指在通信过程中同时使用多个发射天线和接收天线的技术。通过利用多个天线进行数据传输，MIMO系统可以在不增加带宽的情况下显著提高通信容量和频谱利用率。

 

二、MIMO的发展历程

 

MIMO技术的发展经历了多个重要的里程碑。早在1908年，马可尼就提出了使用MIMO来对抗衰落现象。70年代，学者们开始将MIMO应用于通信系统中。1995年，Teladar提出了MIMO容量的概念，研究了在衰落环境中的传输性能。随后，Foshinia在1996年提出了对角-贝尔实验室分层空时（D-BLAST）算法，为MIMO系统的信号处理奠定了基础。同年，Tarokh等人讨论了用于MIMO的空时码，进一步推动了该领域的研究。最终，Wolniansky等人在1998年利用垂直-贝尔实验室分层空时（V-BLAST）算法成功建立了一个实际的MIMO系统。这些工作引起了全球学术界的广泛关注，推动了MIMO技术的快速发展。

 

三、MIMO的优势和应用

 

多种模式带来的增益：

 

发送分集增益：提高系统可靠性，但不能提升数据速率。

波束赋形增益：通过优化天线指向来提高系统的有效性，可以提升数据速率。

空间复用增益：通过在不同天线之间进行并行传输，提高系统的有效性，可以提升数据速率。

 

提高频谱效率：

 

对于下行通信，TD-LTE标准要求每Hz的频谱效率达到5bps（Rel-10为30bps）。

对于上行通信，TD-LTE标准要求每Hz的频谱效率达到2.5bps（Rel-10为15bps）。

 

MIMO技术的广泛应用：

 

MIMO技术已经成功应用于多种通信系统中，包括无线局域网（WLAN）、蜂窝移动通信系统（如LTE和5G）以及无线通信系统等。通过利用多个天线进行数据传输，MIMO技术显著提高了信号质量、抗干扰能力和系统容量，为现代通信领域的发展做出了重要贡献。

 

综上所述，MIMO技术的诞生和发展为通信系统带来了革命性的变化。通过利用多个天线进行传输，MIMO技术提高了通信系统的容量和频谱利用率，同时也提升了信号质量和抗干扰能力。随着无线通信技术的不断演进，MIMO技术将继续在未来的通信系统中扮演重要角色。

 

四、MIMO技术的分类

 

MIMO技术可以分为三大类：波束赋形、传输分集和空间复用。其中，波束赋形是一种利用较小间距的天线阵列之间的相关性，通过干涉效应将能量集中于特定方向上的技术。

 

波束赋形的原理是通过调整天线阵列的相位和幅度，使得从阵列发射的信号在特定方向上形成波束，从而实现增大覆盖范围和抑制干扰的效果。类比于手电筒，波束赋形就像是把光能聚焦到一个方向，使得信号能够更远地传播，接收端也能获得更强的信号。

 

根据波束赋形处理位置和方式的不同，波束赋形可以分为数字波束赋形、模拟波束赋形以及混合波束赋形这三种。

 

数字波束赋形：在基带处理阶段对天线权值进行处理，通道数与天线数量一致。数字波束赋形具有高精度、灵活性强的优点，但需要高性能的基带处理器、复杂的系统结构和较高的成本。

 

模拟波束赋形：通过处理射频信号权值和相位来实现天线的相位调整，处理位置相对靠后。模拟波束赋形的通道数量较少，容量上受到限制，且受到硬件精度的影响而性能有一定制约。

 

混合波束赋形：将数字波束赋形和模拟波束赋形相结合，实现在模拟端可调幅调相的波束赋形以及基带的数字波束赋形。混合波束赋形兼具数字和模拟两者的优点，基带处理通道数目较少，复杂度降低，成本也相对较低，系统性能接近全数字波束赋形。这种技术特别适用于高频系统。

 

此外，波束赋形还可以分为单流波束赋形和双流波束赋形。

 

单流波束赋形（对应TM7）：LTE R8标准中，仅支持基于专用导频的单流波束赋形技术。在传输过程中，用户设备（UE）需要通过测量专用导频来估计波束赋形后的等效信道，并进行相干检测。为了能够估计波束赋形后传输所经历的信道，基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号。这种传输方式被称为使用天线端口5的传输。

 

双流波束赋形（对应TM8）：TD-LTE R9标准将波束赋形扩展到双流传输，实现了波束赋形和空间复用技术的结合。为了支持双流波束赋形，LTE R9引入了新的双端口专用导频（端口7和8），并定义了相应的控制信令。在双流波束赋形中，UE基于专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道，而预编码模块则不进行任何预处理操作。

 

传输分集和空间复用是在电源设计工程中常用的技术，用于提高通信系统的质量和容量。

 

传输分集利用较大间距的天线阵元或赋形波束之间的不相关性，在多个路径上传输相同的数据流。通过在发射端进行联合编码，增加信号的冗余度，使信号在接收端获得分集增益，从而避免单个信道衰落对整个链路的影响。传输分集的代表性技术是空时编码（STC），它将数据分成多个数据子流在多个天线上同时发射，建立了空间分离和时间分离之间的关系。空时编码可以降低平均误码率，提高系统的可靠性。其中，空时格码（STTC）通过将发送分集与网格编码调制相结合，能够在不牺牲系统带宽的情况下获得满分集增益和高编码增益。而空时分组码（STBC）则利用正交设计原理分配各发射天线上的发射信号格式，能够简化译码运算并降低译码复杂度。

 

空间复用则是利用较大间距的天线阵元或赋形波束之间的不相关性，向一个终端或基站同时传输多个独立的数据流，以提高链路容量。通过在不同的天线上上传输独立的数据流，并要求接收端使用不少于数据流数目的接收天线进行正确译码。空间复用技术能够充分利用系统资源，提高系统容量，从而增加整个系统的吞吐量。它需要接收端进行多用户检测与分离，以实现对不同数据流的正确解码。

 

总结起来，传输分集和空间复用是在电源设计工程中常用的技术手段，用于提高通信系统的质量和容量。传输分集注重抵抗信道衰落、降低误码率和提高系统可靠性，而空间复用关注充分利用系统资源、提高系统容量和数据速率。根据具体的应用需求和系统要求，选择合适的技术手段可以优化电源设计工程中的通信性能。

 

四、5G巨型多输入多输出（Massive MIMO）

 

巨型多输入多输出（Massive MIMO）天线，也被称为大规模天线，与传统的基站天线或一体化有源天线相比，其特点是拥有大量的阵列单元，并且每个单元都有独立的收发能力。这意味着它可以同时进行多个天线单元的数据收发，实现更高效的数据传输。高频率的巨型MIMO天线主要用于高密度场景、室内容量需求以及无线回传。在网络组网方面，可以通过混合使用高低频率实现最佳的频谱利用。

 

巨型MIMO的优势

 

多波束技术：通过多用户空间复用提升网络容量（MU-MIMO）；

大规模阵列波束成形：通过算法抑制用户间干扰，显著提升单用户信噪比（SINR）；

三维波束成形特性：实现不同场景的覆盖要求；

多通道上行接收：最大化上行信号接收增益。

 

巨型MIMO与传统MIMO的性能比较

 

1、大规模天线技术的研究内容

 

大规模天线技术的潜在应用场景主要包括宏小区覆盖、高层建筑、异构网络、热点覆盖以及无线回传链路等。此外，利用分布式天线构建巨型MIMO系统也可能成为该技术的应用场景之一。在需要广域覆盖的场景中，巨型MIMO技术可以充分利用现有频段；而在热点覆盖或回传链路等场景中，考虑使用更高频段可能更合适。

 

2、传输与检测技术

 

巨型MIMO的性能增益主要依赖于大量天线阵列形成的多用户信道间的准正交特性。然而，在实际信道条件下，由于设备和传播环境中存在多种非理想因素，为了获得稳定的多用户传输增益，仍然需要依靠有效的下行发送和上行接收算法来抑制用户间乃至小区间的同频干扰。传输与检测算法的计算复杂度与天线阵列规模和用户数量直接相关。

 

3、信道状态信息测量与反馈技术

 

对于MIMO技术的应用，信道状态信息（CSI）的测量、反馈以及参考信号设计至关重要。为了在衡量信道状态信息测量开销和精度之间取得平衡，除了传统的基于码本的隐式反馈和基于信道互易性的反馈机制外，还可以考虑分级CSI测量与反馈、基于Kronecker运算的CSI测量与反馈、压缩感知以及预体验式等新型反馈机制。

 

4、覆盖增强技术及高速移动解决方案

 

天线规模的扩展对业务信道的覆盖会带来巨大的增益，但对于需要有效覆盖整个小区内所有终端的广播信道而言，可能会带来一些不利影响。在这种情况下，类似内外双环波束

 

5、多用户调度与资源管理技术

 

大规模天线技术为无线接入网络带来了更精细的空间划分和更多的自由度，因此基于大规模天线的多用户调度技术、业务负载均衡技术以及资源管理技术将带来可观的性能提升。

 

6、大规模有源阵列天线技术

 

在大规模天线前端系统中，可以将其结构分为数字阵列和数模混合阵列两种类型。鉴于复杂性、功耗和成本等因素，数模混合的阵列架构在高频段将具备广泛的应用潜力。大规模有源阵列天线的构架、高效、高可靠、小型化、低成本以及模块化收发组件、高精度监测和校准方案等关键技术将直接影响到大规模天线技术在实际应用环境中的性能和效率，并且这些技术将成为决定大规模天线技术是否能够最终进入实用化阶段的关键环节。

 

7、预编码技术

 

预编码技术是指在下行链路发送端利用信道状态信息（CSI）对发送信号进行预处理的技术。通过获取完整的信道状态信息，发送端可以预先消除无线信道引起的干扰，包括多根发送天线之间的天线间干扰和多用户在相同时间和频率资源上传输所产生的干扰。这样做的目的是保证通信的可靠性，提高系统性能。预编码技术主要包括ZF预编码、MF预编码、MRC预编码和MMSE预编码等编码方式。

 

大规模天线技术为系统的频谱效率、用户体验和传输可靠性提供了重要保障，并且为异构化和密集化的网络部署环境提供了灵活的干扰控制和协调手段。随着一系列关键技术的突破和器件、天线等技术的进一步发展，大规模天线技术必将在5G系统中发挥重要作用。

 

五、MIMO技术未来的发展

 

关于大规模天线技术未来的发展方向，在5G NR商业化进程中需要根据实际的部署场景进一步加强不同方面的功能，其中包括：

 

针对高速车辆场景，进一步降低时延和开销，减少波束失败的概率，以满足车辆移动时的需求。

 

虽然Rel 16对上行波束选择的增强进行了研究，提供了一些用于提升上行覆盖的潜在方案，但标准化工作尚未完成，需要进一步完善。

 

除了下行数据信道中多个发送点的优势外，还可以包括密集部署在宏小区或异构网络环境中的多点发送。

 

进一步增强上行导频SRS的性能，提升容量和覆盖范围。

 

在Rel 16中已经增强了Type II CSI，未来可以进一步改进低频FDD部署下多个发送点/面板的CSI设计，并更好地利用信道统计信息和时延特性来进行联合传输。

 

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5G无线知识，从“大规模MIMO”开始！ - 知乎首发于ICT干货分享切换模式写文章登录/注册5G无线知识，从“大规模MIMO”开始！传知摩尔狮本期干货讲解5G无线里面的重要知识：大规模MIMO,即多输入多输出。它是开启5G用户体验的关键技术之一！如果，你也不是很了解。那就跟随本期主题，一起学习大规模MIMO吧。阅读期间，伴随着几个问题进行：（1）大规模MIMO是什么？（2）大规模MIMO关键技术？（3）大规模MIMO有哪些优点？带着思考，一起走进传知小课堂吧～1、大规模MIMO是什么？大规模MIMO，英文全称是：Massive Multiple Input Multiple Output。因为它的英文名实在是太长了，于是简称为“Massive MIMO”。它的中文名呢，也就是英文翻译过来的，叫：大规模多路输入多路输出。为了方便，于是都直接叫“大规模MIMO”起源：大规模MIMO无线通信初步构想最早是由贝尔实验室Marzetta博士于2009年提出的。而我们今天所讲的大规模MIMO并不是一项全新的技术，它是在MIMO技术上的拓展和延伸。【MIMO在4G时代已被广泛应用】区别于传统4G MIMO的最多8天线通道，大规模MIMO在5G中实现16/32/64通道。2、大规模MIMO技术其实大规模MIMO就是大量天线的波束赋形。【解释：波束赋形，就是根据特定场景自适应的调整天线阵列的辐射图的一种技术】可能看了解释的小伙伴还是有点云里雾里的，那么，我们就接着细讲一下，波束赋形！波束赋形：通过移动设备和网络基站上的先进天线技术，能将无线信号聚集到特定方向，而不是扩散到广域中。就像手电筒与激光笔之间的区别，前者可以照亮整个屋子里的人，后者则可以持续指向或追踪单个用户。随MIMO系统中天线数量的增加，波束成形就变成了“3D波束成形”。3D波束成形技术可生成面向用户的水平和垂直的波束，以此提高所有用户的数据传输速率和容量，包括位于高层建筑顶层的用户。借助移动终端的反馈，波束能够找到空间中的任意一个点。因此，无论用户是在街上还是在建筑物的不同楼层之间移动，都能够通过聚集的波束连接到网络。此外，细长的直射波束还可降低不同方向上波束之间的干扰。3、大规模MIMO优点（1）更精确的3D波束赋形，提升终端接收信号强度。不同的波束都有各自非常小的聚焦区域，用户始终处于小区域内的最佳信号区域。（2）同时同频服务更多用户，提高网络容量。由于在覆盖空间中对不同用户可形成独立的窄波束覆盖，使得天线系统能够同时传输不同用户的数据，从而可以数十倍地提升系统吞吐量，提高网络容量。（3）有效减少小区间的干扰天线的波束非常窄，并能精确地为用户提供覆盖。故可大大减少对领区的干扰。（4）更好的覆盖远端或近端的小区波束在水平和垂直方向上的自由度可以带来连续覆盖上的灵活度和性能优势。参考文献：[1] 李东儒. 5G多天线系统的波束管理研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 2019.[2] 吕智煊. 多波束基站天线的应用研究[D]. 广州：华南理工大学，2018.[3] 中兴文档.大规模MIMO自述,2019.[4] ualcomm中国.揭秘5G大规模MIMO,2019.发布于 2020-10-14 17:18无线通信天线MIMO (多输入多输出)​赞同 20​​7 条评论​分享​喜欢​收藏​申请转载​文章被以下专栏收录ICT干

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什么是mimo？ - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答​切换模式登录/注册MIMO (多输入多输出)什么是mimo？关注者8被浏览13,420关注问题​写回答​邀请回答​好问题​添加评论​分享​4 个回答默认排序是德科技 Keysight Technologies​已认证账号​ 关注是德科技与您分享MIMO技术和相关应用。我们将一起和您探讨MIMO技术的发展，MIMO的分类并探究MIMO技术的本质，是不是在任何信道条件下多天线系统都可以带来速率的提升？MIMO技术都有哪几类，区别是什么等问题。文末有MIMO术语供参考。MIMO是什么？MIMO 是multi-input multi-out put 系统的缩写，从字面上来看任何具有多个发射和多个接收天线的无线系统都可以称为MIMO。除了MIMO之外，还有single-input multiple-output (SIMO)，multiple-input single-output (MISO) 这些只在发射端或接收端有多个天线的准多天线系统。相信大家都理解时分复用、频率复用和码分复用的概念，MIMO与传统的单天线系统相比多个发射和接收天线为无线系统的设计者打开了一个新的维度--空间自由度。信号在多对收发天线间经历不同的信道衰落，如果这些衰落的统计特性互相独立，就相当于在通信系统中引入了多个传输通道。这和增加系统传输带宽几乎可以达到同样的效果。上世纪90年代贝尔实验室一篇介绍 ‘MIMO V-BLAST’技术的论文引发了学术界MIMO技术研究的热潮，20多年后MIMO以及大规模MIMO(Massive MIMO)仍是一个活跃的研究领域。在 MIMO 术语中，"输入" 和 "输出" 是相对于无线信道来说的。在这些系统中，多台发射机同时将其信号 "输入" 到无线信道中，然后同时将这些信号组合从无线信道 "输出" 到多台接收机，从而获得性能增益。在一个实际的下行通信系统中，单一基站 (BS) 包含连接到多根天线的多台发射机，单一移动站 (MS) 包含连接到多台接收机的多根天线。在上行链路中也可以使用这种相同的配置。图 1 给出了几种基本的多天线组合图，这些方框图使用多根天线将无线系统中的每台发射机连接到每台接收机。每个箭头表示两根天线之间所有信号路径的组合，包括直接视线 (LOS) 路径 (应当存在一个)，以及由于周围环境的反射、散射和折射产生的大量多径信号。例如，单路输入单路输出 (SISO) 是无线电广播、电视广播以及早期第一代蜂窝电话的传统配置。这种单一信道包括无线链路上出现的 LOS 路径和所有多径。单路输入多路输出 (SIMO) 和多路输入单路输出 (MISO) 配置需要在发射机或者接收机上使用单天线。将上行数据从具有单天线的移动设备传输到包含两根以上天线的蜂窝基站或者无线局域网 (WLAN) 接入点时，SIMO 情形可能非常有用。另外，MISO 情形可以表示采用发射分集进行下行数据传输的配置。图 1 还给出了一种 2x2 MIMO 配置，在此配置中，在具有两个独立发射信道的发射机处放置两根天线，在具有两个独立接收信道的接收机处放置两根天线。在本应用指南中，将以此配置作为主要示例进行讨论。显然，使用其他多天线对组合的 MIMO 配置还有很多，例如 3x3 和 4x4。MIMO 操作并不需要发射机和接收机处的天线数目相同，即一个位置的天数数目可以多于另一位置的天线数目，例如 MxN 配置，其中 M 与 N 不相等，M 为发射天线数，N 为接收天线数。图 1. SISO、SIMO、MISO 和 MIMO (2x2) 系统的天线和信道配置。从3G时代开始多天线技术已经在蜂窝及短距离通信等各种无线通信标准中得到广泛应用。LTE和 LTE -Advanced定义了TM1 – TM9九种传输模式 (Transport Mode) 。其中TM2 – TM9对应不同类型的多天线技术，最多支持8天线8流数据传输。Release 13中增加了full dimension (FD)-MIMO，CSI-RS 端口数从8增加到16并引入了垂直方向的波束赋形。实际网络中基站和不同终端用户的天线往往处于不同的高度 ，图2 列出了几种3GPP TS38.901标准中基站和终端的位置关系。图2 几种3GPP TS38.901标准中基站和终端的位置关系垂直方向的波束赋形可以使波形具有更强的方向性，垂直方向上的波束分离使基站可以同时服务多个终端且保证终端之间的干扰为最小（图3）。图3FD-MIMO下最多32个交叉极化天线排成阵列，基站根据终端上报的测量信息对数据进行波预编码/ 波束赋形处理。FD-MIMO中第一次提出了beamformed CSI-RS的概念，不同CSI-RS 端口经过波束赋形在同一个物理天线上传输。FD-MIMO是NR大规模天线技术 (Massive MIMO) 的雏形。NR标准将CSI-RS天线端口扩大至32个，目前主流的设备商都推出了64T64R的基站产品。更多的CSI-RS端口以及天线数量使基站发出的信号具有更强的方向性，信道状态信息的反馈具有更小的颗粒度。在FD-MIMO以及Massive MIMO技术中，因为存在水平和垂直两个方向波束赋形的可能，对多天线无线信道进行建模时需要考虑到三维空间中的物体带来的各种折射，反射，散射等影响（图3）。 传统的2D 信道建模（时延，衰落功率）如图3种右侧所示从时间和功率两个维度的对信道进行了刻画。在大规模天线系统中不同天线单元具有不同的空间位置和极化方向，无线信号经过信道中不同反射簇(cluster)到达每个天线单元的信号具有不同的空间特性（到达角度，离开角度，角度扩展等）。对多天线系统而言除了信道的时域、频率选择性之外，信道的空间特性也成为系统设计和性能评估的重要因素。图4 什么是Massive MIMOMassive MIMO（大规模天线技术，亦称为Large Scale MIMO）是第五代移动通信（5G）中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。它最早由美国贝尔实验室研究人员提出，研究发现，当小区的基站天线数目趋于无穷大时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计，数据传输速率能得到极大提高。从两方面理解：（1）天线数 - 传统的TDD网络的天线基本是2天线、4天线或8天线，而Massive MIMO指的是通道数达到64/128/256个。（2）信号覆盖的维度 - 传统的MIMO我们称之为2D-MIMO，以8天线为例，实际信号在做覆盖时，只能在水平方向移动，垂直方向是不动的，信号类似一个平面发射出去，而Massive MIMO，是信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用，信号的辐射状是个电磁波束。所以Massive MIMO也称为3D-MIMO。MIMO分类图5是一个具有M个发射和N个接收天线单元的MIMO系统的框图。图中只看到了发射和接收天线的数目，基带处理单元数量、发射和接收天线阵列的排布以及不同天线发送的数据流之间的关系都无法了解。下面是几种经常见到的MIMO分类方式。图5按照天线的空间分配可以分为空分复用(Spatial multiplexing)和空间分集(Spatial diversity)空分复用(Spatial multiplexing)通过在不同天线上传输不同的数据流来提高系统的吞吐。空间分集(Spatial diversity)通过利用多根天线带来的信道多样性，在不增加发射功率的前下提高接收信噪比降低误码率。LTE中SFBC 就是频率分集的一个典型应用。很多文章中将波束赋形与空间复用和空间分集并列。但前者是利用天线阵元之间的强相关性根据来波角度自适应调整信道方向图，减少干扰达到提高接收信噪比的目的。而空分复用/分集需要多天线间信道独立不相关。这里我们会把波束赋形与预编码作为改变信道方向/能量的技术放在一起讨论。按照服务用户数目可以分为单用户MIMO(SU-MIMO)和多用户MIMO(MU-MIMO)。单用户模式下通过对该用户进行多流数据传输以最大化其吞吐率。在实际网络中，接收信噪比较好的用户会更容易被调度为SU-MIMO来提高小区的峰值吞吐。在多用户模式下，MIMO技术的侧重点在于利用多个用户的信道信息构建预编码矩阵/波束赋形因子在保证单个用户体验的同时减少用户间干扰。MU-MIMO在实际网络中多用于提高小区边缘的吞吐和覆盖。按照数据流到天线端口，天线单元的映射方式可以分为：预编码(precoding)和波束赋形(beamforming)，预编码也常被称作数字波束赋形(digital beamforming)。尽管预编码和波束赋型是分别在数字域和模拟域的操作，但两种技术的本质都是试图改变信道的指向，使能量聚集到信号需要进行传输的方向。我们来看一个例子。如果把物理天线看作是手电筒，图6左侧的两个手电筒同时并行照向一个终端。由于下方的手电筒没有对准图中终端的位置，终端几乎接收不到来自下方手电筒的能量。改变下方手电筒的方向，使下方手电筒射出的光更好地指向终端。终端就可以获得更多的能量。图6 在MIMO系统多个天线对之间空间信道也是有方向和能量的。模拟域的波束赋形通过调节天线阵列中不同天线单元间信号相位和幅度使得天线的方向具有指向性。基带的预编码处理相对模拟波束赋形理解起来要抽象很多，我们通过一个例子来了解下。在多天线系统中，m为发射信号向量，H为信道矩阵。信号经过信道后，能量及方向都会发生变化。变化的趋势由H 信道的特性决定。无线信道是由发射机和接收机的物理属性及所处环境决定的特性。预编码预编码是在充分了解收发信机间空间信道的前提下，通过叠加预编码矩阵w对H进行修正，使得预编码后的等效信道P=H*w可以最大化接收机的吞吐或者多用户场景下最小化多用户之间的干扰。预编码技术对MIMO系统的整体性能影响很大，因此MIMO的码本设计、信道信息反馈机制一直是标准化讨论的一个热点。NR Massive MIMO 中波束赋形以及CSI-RS传输机制基本沿用了FD-MIMO的框架。3GPP TS 36.879文档给出了FD-MIMO两种射频链路到物理天线的映射关系。图7是第一种为sub-array partition模式，在这一模式下物理天线被分成多个组，每个TXRU都连接到其中一个组。CSI-RS 天线端口与TXRU一一对应，也成为Non-precoded CSI-RS，该模式下一个CSI-RS资源集(resource set)中CSI-RS的个数一般大于8。图7 FD-MIMO射频链路到物理天线的映射关系 - sub-array partition模式图8是Non-precoded CSI-RS 传输模式的示例，NR基站在一个CSI-RS resource set 中分配32个CSI-RS天线端口，终端通过对32个天线端口的CSI-RS进行测量并上报RI/PMI/CQI。图8 此模式下下图9中的Port to TRUX矩阵退化为一个单元矩阵。图9 混合波束赋型发射机框图图10 FD-MIMO射频链路到物理天线的映射关系 - full connection 模式第二种为full connection 模式，在这一模式下每个TXRU经过virtualization matrix 映射到不同的物理天线，每一个物理天线会同时对来自多个TXRU的信号进行传输（图10）。这种模式下CSI-RS 天线端口与TXRU通过一个矩阵进行映射，该模式也成为precoded CSI-RS。CSI-RS 天线端口经过Port-to-TRUX 以及 TRUX-antenna 映射形成多个波束。终端除了上报RI/PMI/CQI 之外，还需要通过CRI上报来指示一个或者几个最强波束的beam index。由于CSI-RS被赋型，赋型带来的空间自由度可以减少需要的CSI-RS数量，减少CSI-RS信令开销，终端反馈开销。Precoded CSI-RS模式中，CSI-RS resource set 中的CSI-RS 天线端口数一般小于8，对终端测量上报能力的要求远低于模式一。MIMO测试挑战多天线系统的物理天线个数从LTE 的8、16、32增加到NR的64 甚至128。在对massive MIMO 产品进行射频指标、信号质量测试以及beamforming能力测试时，测试设备需要提供足够的射频端口来保证多端口测试结果的一致性及可重复性。同时还需要保证多端口设备具有良好的测试指标以满足NR信道的带宽以及EVM需求。传统的射频测试仪表多针对单通道测试，端口数极度受限。用传统仪表进行MIMO、Massive MIMO测试往往需要使用合路器，开关矩阵以及移相器来完成。测试环境搭建复杂且无法保证不同射频通道之间的相位相参(Phase coherence)，从而无法保证波束赋形的有效性。图11Keysight 最近推出了E6464A/E6416A 多收发射频测试仪 (MTRX) 。MTRX是一种可扩展的射频测平台。一台E6464A/E6416A可以提供最多64/16个矢量信号分析仪 (VSA)和64/16个矢量信号发生器 (VSG)。MTRX内置数字预编码和massive MIMO信号加权矩阵功能，同时支持直通连接选项，可以对网络和设备进行端到端波束赋形测试。MTRX中的矢量信号分析还可以通过Keysight Pathwave软件，WaveJudege软件完成或者保存为开放的IQ文件。图12展示了以MTRX硬件为核心的5G Massive MIMO测试解决方案。E6416A 多收发信机射频测试仪（MTRX）是一种可扩展的射频测试平台硬件，能够在一台仪器中提供 4 到 16 个矢量信号分析仪（VSA）和 4 到 16 个矢量信号发生器（VSG），并具有先进的数字 MIMO 和大规模 MIMO 信号加权矩阵和直通连接选件，适用于网络和设备的端到端波束赋形测试。图12 5G Massive MIMO测试解决方案WIFI 7介绍随着芯片厂商，和国内终端厂商陆续发布基于Wi-Fi 7的产品，引起了市场的广泛关注，也标志着Wi-Fi 7正式商用进程比预想的提前了至少一年。近年来随着高清视频，AR/VR，云计算，远程办公等需求的爆发，不断刺激用户对于接入网络性能的需求，另一方面由于政策驱动用户侧接入速率进入了千兆宽带的时代，并向着更高的带宽迈进。这使得传统的Wi-Fi面临速率，时延和容量等各方面的挑战，Wi-Fi 7作为新一代Wi-Fi技术标准自然肩负着与光线接入技术齐头并进的使命。Wi-Fi 7 的最终版本，又名 802.11be，有望在 2024 年获得 IEEE 工作组的批准。但科技品牌并没有等待官方标准；路由器和芯片制造商已经在推动最快在 2023 年生产兼容 Wi-Fi 7 的设备。WLAN标准演进WIFI 7 1、320MHz 带宽：是Wi-FI 6E启用的 160MHz 信道宽度的两倍，320MHz 标准使网络可以支持的吞吐量翻倍。IEEE 估计，与 Wi-Fi 6 相比，Wi-Fi 7 可以提供“标称数据速率高出 4.8 倍”。这是 Wi-Fi 7 的主要优势，将为仍在使用 Wi-Fi 5 路由器的任何人提供巨大的推动力。2、4K-QAM：与 Wi-Fi 6 的 1024-QAM 相比，Wi-Fi 7 达到了 4096-QAM，即正交调幅。QAM 越高，数据传输越快，但信号范围也越短。所以这个标准显然是可选的，并且将依赖波束成形来工作。3、MU-MIMO 改进：多用户、多输入、多输出 (MU-MIMO) 技术在 Wi-Fi 6 中变得普遍，但 Wi-Fi 7 将支持更多同步流。Wi-Fi 6 路由器最多可以达到 8 个数据流，但 Wi-Fi 7 将容量翻了一番，达到 16 个。4、多链路支持：无论您的路由器连接速度有多快，干扰总是会损害连接，因为路由器和设备仅在一个通道上连接。但多链路操作允许重复连接，IEEE 声称这“有利于巨大的数据速率和极低的延迟”。“Beam MIMO Detect is an RF front-end for UeSIM, Keysight’s UE emulation solution, which simulates a population of spatially distributed and moving UEs for accurate mMIMO and beamforming verification”“从 SISO 到 MIMO，工程师需要分析工具来弥合信号/频谱分析与数字设计之间的鸿沟。 了解如何在毫米波频段内更轻松地实现 5G NR MIMO 测试和调试，如何加速完成 EVM 测量。”802.11ax 测试解决方案提供了即时可用的软件，能够完成从 SISO 到 8x8 MIMO 的全方位测试，获得所需要的 802.11ax 测试参数。MIMO测试应该知道的十件事1. MIMO 在蜂窝系统上行/下行链路中使用不同的方式MIMO (多路输入多路输出) 是一个概括的说法，指的是通过多个天线发射和接收多个数据流。空间复用是一种能够扩大链路容量的技术。上行链路和下行链路之间的差别适用于典型的非对称数据吞吐量需要。由于基站和移动台的天线配置不同, 上行链路和下行链路的性能也是不同的。单用户下行链路 MIMO 系统2. MIMO 需要至少两个发射机和两个接收机, 并且接收机必须在同一设备上MIMO （多路输入多路输出）需要至少两个发射机和两个接收机, 并且接收机必须在同一设备上。否则, 这种配置就只是分集技术, 而非 MIMO。接收机必须在同一个设备上, 而发射机不必如此, 因此我们可以使用两个移动台组合应用在 MIMO 上行链路中 。下图显示了上行链路 2 x 2 多用户 (协同) MIMO, 由基站来控制来自两个不同移动台的数据流。它们同时进行发射, 占用相同的频率。MU-MIMO 的主要优势是增加了小区容量, 但却没有增加两个发射机的成本和电池耗电量。3. MIMO 信号恢复过程分为两步:恢复信道系数分离信号并解调下图显示了 LTE 信号中用于恢复信道系数的参考信号 (导频)。这些信号在时间选通的频谱图信息中显示, 由于导频的差异而相互正交。WiMAX 使用非重叠导频的类似排列。信道训练机制LTE• 参考信号针对每个发射机使用不同的子载波。• 发射机每隔两个或三个符码将参考信号与数据混合后进行发射。HSPA+HSPA+使用基于代码的导频来识别每个发射机。WiMAX• 各帧的导频位置是固定的, 但是在子帧区域内的各个符码的导频位置是变化的。• 子载波的范围覆盖多个符码, 允许内插。• 具体情况由区域类型决定。无线局域网• 使用前导码进行训练。所有发射机使用相同的子载波。信号之间使用一个 CDMA 代码分隔。• 使用 4 个正交导频 (在 40 MHz 时为 6 个),使用公共子载波。没有数据的时候不会只发导频信号。4. 发射和接收相位差不会影响开环 MIMO解调器中的跟踪过程能够去除相位差、较小的频率差和时间偏置。该设置显示了如何使用 Keysight 信号源 MXG 和 Signal Studio 软件仿真两个移动台, 来进行基站上行链路协作 MIMO 接收机测试。5. 基站和移动台天线配置组合对信道路径相关性具有重要的影响基站天线与单个用户间的到达角角度相对较窄, 而由移动台接受到的信号角度相对较宽, 使得接收到的信号中包括许多反射信号。相关性是一项统计性的信道测量 !6. MIMO 需要比 SISO 更出色的载噪比由于噪声、干扰或信道跟踪等原因产生的误差, 使得恢复星座图非常困难。MIMO 比 SISO 的恢复难度更高, 因为信号耦合如果没有完全移除, 这个数据流看上去就像是对其他数据流的干扰。该图显示了信道中条件数 = 10 dB 的 MIMO 信号需要比 SISO 信号大约高 7 dB 的 CNR, 才能达到相同的 EVM。由于 MIMO 可以把数据容量提高一倍, 所以总体系统性能会得到改进。本例显示了为减少条件数而有意耦合的信道。该信道正导致中心子载波承受相对 SISO 而言更进一步的性能下降, 需要更高的信噪比才能实现相同的 BER。7. 预编码和特征波束赋形对发射信号进行耦合, 使其适合信道它们是闭环 MIMO 的两种形式, 其中的发射信号经过交叉耦合, 以适合当前的信道条件。MIMO 不一定需要预编码的方式, 但是, 如果信道不是变化太快的话, 它还可以提高性能。LTE 拥有简单的三选一预编码选择。某些 WLAN 设备一直采用 LTE codebook index 1, 称之为空间扩展。特征波束赋形(一种增强形式的预编码)对发射信号进行调整 , 在信道的输出端提供最佳的CINR。802.11 n 将特征波束赋形简称为“波束赋形”。特征波束赋形(一种增强形式的预编码)对发射信号进行调整 , 在信道的输出端提供最佳的CINR。802.11 n 将特征波束赋形简称为“波束赋形”。8. 使用单通路信号分析仪和参考信号 (导频) 可以进行跨信道测量LTE 和 WiMAX 中的导频对于每个发射机都是唯一的 (正交)。它们不受预编码的影响。 WLAN 使用极少的导频即可进行相同的测量。单独的测量:• 调制分析• 隔离度使用合路器进行的测量:• 相对时间• 射频相位9. 条件数测量 MIMO 短期的信道性能MIMO 信道容量与条件数的关系表达式为:条件数 = 奇异值的比率这种双路输入测量可以显示射频和模拟硬件中的误差。该图显示了 WiMAX 信号中的条件数和频率响应与子载波数量的对比关系, 以及由此得出的星座图。10. 一个器件中的失真可能影响所有数据流的性能以一个发射机的放大器中信号发生削峰为例。关闭矩阵解码时, 只有一个信道失真。使用 WiMAX 矩阵 B (MIMO SM ) 时, 两个数据流都受影响。矩阵 A (Alamouti) 或发射机分集不受影响。"802.11ax 测试解决方案提供了即时可用的软件，能够完成从 SISO 到 8x8 MIMO 的全方位测试，获得所需要的 802.11ax 测试参数。"MIMO 缩略语 ACK应答信号Acknowledgement (in HARQ protocols)ACS邻道选择性Adjacent Channel SelectivityBBU基带单元Base Band UnitBS基站Base StationCP循环前缀Cyclic prefixCQI信道质量指示Channel Quality IndicatorCRC循环冗余校验Cyclic Redundancy CheckC-RNTI小区无线网络临时标识Cell Radio Network Temporary IdentityDRB数据无线承载Data Radio BearerDRX非连续接收Discontinuous ReceptionDTX非连续发射Discontinuous TransmissionEPC演进的分组核心网Evloved Packet CoreGP保护周期Guard Period (for TDD operation)HARQ混合式自动重传请求Hybrid Automatic Repeat reQuestMAC媒体访问控制Medium Access ControlMCS调制编码方式Modulation and Coding SchemeMIMO多输入多输出Multiple Input Multiple OutputOFDM正交频分复用Orthogonal Frequency Division MultiplexPBCH物理广播信道Physical Broadcast ChannelPCI物理层小区标识Physical layer Cell IdentityPDCCH物理下行控制信道Physical Downlink Control ChannelPDSCH物理下行共享信道Physical Downlink Shared ChannelPDU协议数据单元Protocol Date UnitPMI预编码矩阵指示Precoding Matrix IndicatorPRACH物理随机接入信道Physical Random Access ChannelPRB物理资源块Physical Resource BlockPSS主同步信号Primary Synchronization SignalPUCCH物理上行控制信道Physical Uplink Control ChannelPUSCH物理上行共享信道Physical Uplink Control ChannelQCI服务质量类型标识QoS class identifierQoS服务质量Quality of ServiceRB资源块Resource BlockRI秩指示Rank IndicatorRRC无线资源控制Radio Resource ControlRRU射频远端单元Remote RF UnitRS参考符号Reference SymbolSINR信号与干扰加噪声比Signal to Interference plus Noise RatioSNR信噪比Signal-to-Noise RatioSRB信令无线承载Signalling Radio BearerSRS探测参考信号Sounding Reference SignalSSS辅同步信号Secondary Synchronization SignalTTI传输时间间隔Transmission Time IntervalUE用户设备User Equipment是德科技编辑于 2023-03-27 08:56​赞同 8​​添加评论​分享​收藏​喜欢收起​16-bit木槿昔年，浮生未歇。​ 关注楼主计划从以下几个方向来进行介绍：MIMO是什么MIMO中的重要概念MIMO信道容量（附仿真）MIMO可达速率（附仿真）......1.MIMO是什么？Multiple Input Multiple Output (多入多出)，简称MIMO，发音类似“My-Moe”，指的是发射端和接收端采用了多根天进行通信的一种技术。如图1所示，这是一个发射端和接收端分别配备有Nt和Nr根天线的MIMO系统。图1 简单的MIMO系统当然在定义的严格规定之下，不难想到MIMO应该还存其他的兄弟姐妹：SISO，MISO和SIMO。图2 MIMO及其他天线技术2.MIMO中的重要概念有关MIMO中所涉及的概念较多，其中最为关键的有一下三个：分集、复用和波束赋形。分集和复用指的是MIMO技术的两种工作模式，这里我们先把基本概念展示给大家。分集：是指多路彼此独立的传输路径上传送同一信号。也就是说，相同的信号、独立的通道，如所示。图3 分集技术复用：是指在同一个传输路径上传送多路独立的信号。也就是说，不同的信号、共同的通道，如所示。图4 复用技术这里我们再用表1来简明的展示二者之间的关系。 表1 MIMO的两种工作模式对比表工作模式目 的方 式方 法空间分集提高可靠性降低衰落空时编码空间复用提高吞吐量利用衰落空间多路复用最后我们来讲讲波束赋形（Beamforming），同样这里我们先给出大家基础概念：是一种使用传感器阵列定向发送和接收信号的信号处理技术。通俗来说，就是想让天线发送出来的信号更加具有方向性，最好是能够精准指向用户不发生一丁点的能量泄漏。同样还是给出一组图片方便大家的理解，图5 波束赋形技术对比图在情况 1 中，天线系统在所有方向上辐射的能量几乎相同。在不考虑三个用户距离基站远近的条件下，虽然每个用户可以获得相等的信号功率，但是不难发现还有大量的信号弥散在了自由空间中，这就造成基站侧的能量浪费。在情况 2 中，天线的能量辐射极具方向性，即存在用户的方向上能量尽可能大而没有用的方向上几乎分配能量，这样就很好的体现了我们集中力量办大事的原则。而能够为天线信号塑形的这种技术也就是我们所说的波束赋形。楼主撰写该内容的初衷，一方面为了帮助初学通信的童鞋去了解通信相关的基础知识，另一方面是帮助自己巩固所学查缺补漏。与其他楼主不同的是后续我会把一些相关公式的推导以及调试后可用的代码一并上传，旨在帮助、课后作业、课程设计和毕业设计中有需要的童鞋，希望将我曾经踩过的坑帮大家填平。下班了下班了，今天就先写到这吧。2022年10月22日记发布于 2022-10-22 16:44​赞同 2​​1 条评论​分享​收藏​喜欢收起​​写回答2 个回答被折叠（为什

什么是MU-MIMO？MU-MIMO和MIMO的区别是什么？ - 华为

什么是MU-MIMO？MU-MIMO和MIMO的区别是什么？ - 华为

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MU-MIMO

什么是MU-MIMO？

MU-MIMO（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output）即多用户MIMO，允许1个AP同时和多个终端通信，充分利用空间资源，提升无线吞吐量，是无线通信领域的一种重要的多用户技术。MU-MIMO主要用于蜂窝网络和Wi-Fi（WiFi）网络。

目录

MU-MIMO和MIMO的区别是什么？

MU-MIMO有什么价值？

MU-MIMO是如何工作的？

哪些Wi-Fi设备支持MU-MIMO？

更多

收起

MU-MIMO和MIMO的区别是什么？

介绍MU-MIMO之前，不得不先介绍下MIMO技术。MIMO技术可简单理解为将空间资源进行分割，经过多根天线进行同步传送。

MIMO系统

MIMO带来的好处是增加单一设备的数据传输速度，同时不占用额外的频谱资源。可以说，无线传输的理论速率从802.11g时代的54Mbps，到802.11n时代的300Mbps，甚至是更高的600Mbps，MIMO技术功不可没。

在MIMO系统中，同一时间AP仅能和1个终端通信，所以也称为SU-MIMO（Single-User Multiple-Input Multiple-Output），即单用户MIMO。当终端的天线数和AP的天线数相同时，可以充分使用AP的空间资源。但在实际应用中，通常AP和终端的收发天线数是不对等的，AP多是3根或者4根天线，甚至更多，但是终端（比如手机）通常只有1-2根天线，这会造成AP一部分空间资源的浪费。举例来说，1台4×4（4天线，4发4收）的Wi-Fi 5 AP的理论传输速率可达1.732Gbps，当它与1×1（1天线）手机通信时，最高理论传输速率仅为1/4，即433Mbps，同一时间其余3根天线闲置，则1.3Gbps的容量都会被闲置。

而MU-MIMO技术使AP同一时间和多个终端进行通信，这样就能充分利用AP的总容量。

MU-MIMO vs MIMO

不难看出，MU-MIMO和SU-MIMO的关键差异，就在于MU-MIMO在同一时间能和多个终端通信，有效利用了空间资源，成倍提升了吞吐量。

MIMO通常用M×N来表示M个发送天线和N个接收天线，而MU-MIMO实现了多用户通信，所以在MIMO基础上增加了MU（多用户）数量的指标项，一般用M×N:U表示。其中的M×N仍是指MIMO的天线数，U则表示MU数量，即同时通信的终端数量。例如一个MU-MIMO的规格为8×8:8，冒号后的8就表示同时通信的终端数量最大为8个。

MU-MIMO有什么价值？

MU-MIMO主要用于用户分布密集、多用户大流量并发、终端位置相对固定的场景，例如办公场景、会议中心、电子教学等，能为无线网络带来较大的收益。

提升网络吞吐量和频谱利用率

MU-MIMO可有效提升无线网络的吞吐量。使用MU-MIMO的无线网络吞吐量通常比SU-MIMO增加2-3倍，AP的天线数越多，空间资源越多，提升的吞吐量也越多。

满足视频等应用的大流量需求

MU-MIMO允许多个终端并发传输数据，让无线网络中数据传输的效率更高，降低了终端在时序上的等待时间，因此可以更好地满足视频、音频和其它大流量、低时延应用的需求。

传统Wi-Fi终端也能收益

由于MU-MIMO带来的整体传输效率的提升，使得无线网络有更多的空闲时间或容量来服务传统的Wi-Fi终端（仅支持SU-MIMO），也就是说，传统Wi-Fi终端的应用体验也能随之提升。

MU-MIMO是如何工作的？

MU-MIMO要实现和多个终端同时通信，需要结合波束成形（beamforming）技术实现。首先AP测量出每根天线到每个终端的信道特征，然后AP根据信道特征，将要发送的数据进行预编码计算，将预编码后信号在每根天线上发出，结果就是所有天线的数据到达每个终端时，仅包含本终端的数据，消除其他终端的数据，就像是形成了指向每个终端的定向波束。

为了便于理解，通过一个2x2的MU-MIMO模型介绍下整体的工作过程，当然实际的计算和处理过程更为复杂。

MU-MIMO的工作原理

假设发射端在每根天线发射的数据分别为X1和X2，经过空间传输的衰减和干扰，在接收端的数据变为了Y1和Y2，空间中的4条传输路径h就是数据变化的系数，用于表示无线信道特征。所以只要h已知，就可以计算出接收端收到的数据Y。

MIMO信号计算

如果接收端是同一个终端，也就是SU-MIMO，则发送端只需要发送一个收发双方已知的标准数据，接收端就可以根据收到的Y和已知的X计算出h。为了让接收端直接收到要发送的原始数据，则只要将原始数据代入Y，根据已知的h反向计算就能知道应该发送的数据X是什么，这就是预编码的过程。

但对于MU-MIMO而言，接收端包含多个终端，终端只知道自己收到的Y，不知道其他终端收到的Y，也就无法在接收端计算出h，所以只能由发送端进行计算。发送端需要通过信道测量完成h的计算，过程是将数据X发送给各终端，各终端收到后回复Y给发送端，发送端已知X和Y，计算出h。发送端再根据h对发送给多个终端的数据进行预编码，实现一次发送多个终端的数据。

当然无线空间的信道特征是一直变化的，所以在每次发送数据前都需要计算h，只是计算和发送数据的间隔极短，可以忽略信道变化对收发数据的影响。

MU-MIMO根据传输方向可以分为DL MU-MIMO和UL MU-MIMO，DL是指下行链路（Down Link），UL是指上行链路（Up Link）。DL MU-MIMO是指AP同一时间给多个终端发送数据，UL MU-MIMO是指AP同一时间接收多个终端的数据。

哪些Wi-Fi设备支持MU-MIMO？

在Wi-Fi标准演进中，802.11ac Wave2（Wi-Fi 5）引入了MU-MIMO技术，具体而言是指DL MU-MIMO，最大允许AP同时向4个终端发送数据。而到了802.11ax（Wi-Fi 6），又引入了UL MU-MIMO技术，解决了上行多用户传输的瓶颈问题，同时还将允许AP同时通信的最大终端数扩大到了8个，进一步提升了用户密集场景的传输效率。所以只要Wi-Fi设备支持Wi-Fi 5，就支持DL MU-MIMO，而支持Wi-Fi 6的话，则支持双向的MU-MIMO。

需要注意的是，MU-MIMO要生效，需要通信双方的AP和终端都支持MU-MIMO。如果网络中存在不支持MU-MIMO的终端，则AP和该类终端通信时，仍使用SU-MIMO，和支持MU-MIMO的终端通信时，继续使用MU-MIMO。

产品相关介绍请参见：AirEngine Wi-Fi 6产品。

参考资源

1阅读eBook：Wi-Fi 6

2华为WLAN 多用户性能提升技术白皮书

相关词条

802.11ac

MIMO

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波束成形

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作者：

王义博

最近更新：

2022-04-02

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