mimo系统原理介绍和应用

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1、来源：来源：communicationpedia 通信学术百科通信学术百科-CRS 通信学社（通信学社（） MIMO 编辑词条编辑词条 发表评论发表评论(1) 多用户多用户 MIMO 示意图示意图 MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统是一项考虑用于 802.11n 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 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(

2、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。 目录 概述 技术 研究状况 应用 显示全部 概述编辑本段回目录 MIMO 表示多输入多输出。 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。 MIMO 的优点是能够增加无线范围并提高性能。连接

3、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 MIMO 接入点到 MIMO 客户端 -

4、同时发送和接收多个空间流 MIMO 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，

5、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。 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

6、(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

7、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(/2) 其中 B 为信号带宽， 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。 技术编辑本段回目录 MIMO 技术大致可以分为两类：发射

8、/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

9、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，这被成为空间复用。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

10、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。 通信学社版权所有 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

11、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 另外一

12、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 1.c 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。 MIMO 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-BL

13、AST。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

14、-BLAST 检测算法进行检测。 MIMO 研究状况编辑本段回目录 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

15、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/(Hzs)。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

16、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 23 天线、 上行通路设置 13 天线。 这样与“单输入/单输出天线”SISO 相比， 传输上取得了 1020dB 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。 版权所有 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