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。

　　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技術

　　優點

　　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。

　　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。多天線系統的

　　應用，使得多達 min（Nt，Nr）的并行數據流可以同時傳送。同時，在發送端或接收端采用多天線，可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。一般的，分集增益可以高達Nt*Nr。

　　老接入點到老客戶端 - 只發送和接收一個空間流

　　MIMO

　　MIMO 接入點到 MIMO 客戶端 - 同時發送和接收多個空間流

　　MIMO

　　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（zero-forcing，迫零）

　　算法、MMSE（minimum mean square error，最小均方差）算法、ML（maximum likelihood，最大似然）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。 潛力

　　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=［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

　　MIMO技術分類

　　在移動通信系統中，我們可以利用多天線來抑制信道衰落，以提高系統容量、覆蓋面和數據傳輸速率等性能。MIMO（Multiple Input Multiple Ouput，多輸入多輸出）就是典型的多天線技術，它最早是由Marconi于1908年提出的，是指在發送端或接收端采用多根天線，使信號在空間獲得陣列增益、分集增益、復用增益和干擾抵消等，從而得到更大的系統容量、更廣的覆蓋面和更高的數據傳輸速率。由于MIMO可以在不需要增加頻譜資源和天線發射功率的情況下大幅地增加系統的數據吞吐量以及傳送距離，使得此技術于最近幾年受到許多矚目。

　　根據收發天線數目的不同，MIMO系統可以分為SISO（SingleInput SingleOutput 單輸入單輸出）、MISO（MultipleInput SingleOutput 多輸入單輸出）、SIMO（SingleInput MultipleOutput 單輸入多輸出）、MIMO以及協作MIMO等多種方式。

　　（1）SISO是采用單天線發送和單天線接收的方式，如下圖所示。由香農定理可知，理論上單天線的信息容量受限于鏈路的SNR，容量每增加1bit/s/Hz，發射功率就需要增加一倍，比如從1bit/s/Hz增加到11bit/s/Hz，發射功率就必須增加約1000倍。

　　（2）MISO是采用多天線發送和單天線接收的方式，如下圖所示。下行方向上使用MISO時，表示基站采用多天線進行發射，基站所服務的所有終端用戶都能獲得發射分集增益，并且鏈路容量隨著天線數目的增加而以對數方式提升。根據天線發射信號的不同，MISO包括以下兩種類型：《1》發射分集 多根天線都發送相同的信號。發射天線相互靠近時，接收側接收到的信號較強。但是由于天線位置較近，所以通路間相關性比較大，從而限制了分集增益。《2》空時塊編碼 多根天線不僅發送相同的信息，還發送具有相關性的不同數據塊，這樣不僅能夠提升數據傳輸速率，也能夠顯著增加覆蓋面和傳輸可靠性。

　　（3）SIMO是采用單天線發送和多天線接收的方式，如下圖所示。這種方式下，基站所服務的所有終端用戶都能夠獲得接收分集增益，并且鏈路容量隨著天線數目的增加而以對數方式提升。由于不同路徑上的接收信號具有不同的空間特性和特征，因此，接收機可以采用交換分集或者最大比合并方式進行接收，以便獲取最大的SNR.

　　（4）MIMO是采用多天線發送和多天線接收的方式，如下圖所示。MIMO可以看成是雙天線分集的擴展，而且有效使用了編碼重用（Code Reuse）技術，即用相同的信道編碼和擾碼對多個不同的數據流進行調制。MIMO系統中收發端各有多根天線，發射機和接收機之間采用不同天線配置的組合，可以大大提高數據傳輸速率，同時也可以提高系統容量。

　　根據實現方式的不同，MIMO可以分為空間復用、空間分集、波束賦形等類型；根據接收端是否反饋信息狀態信息，MIMO可以分為閉環和開環兩種類型。

　　（1）空間復用指系統將高速數據流分成多路低速數據流，經過編碼后調制到多根發射天線上進行發送。由于不同空間信道間具有獨立的衰落特性，因此接收端利用最小均方誤差或者串行干擾刪除技術，就能夠區分出這些并行的數據流。這種方式下，使用相同的頻率資源可以獲取更高的數據傳輸速率，意味著頻譜效率和峰值速率都得到改善和提高。

　　（2）空間分集指將同一信息進行正交編碼后從多根天線上發射出去的方式。接收端將信號區分出來并進行合并，從而獲得分集增益。編碼相當于在發射端增加了信號的冗余度，因此可以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，使傳輸可靠性和覆蓋面增加。分集技術主要用來對抗信道衰落。

　　（3）波束賦形是通過對信道的準確估計，采用多根天線產生一個具有指向性的波束，將信號能量集中在欲傳輸的方向，從而提升信號質量，降低用戶見的干擾。

　　（4）接收端不反饋任何信息給發射端，因而發射端無法了解信道狀態信息時，信息的傳輸方式稱為開環傳輸模式。開環傳輸模式下，接收端沒有任何信息反饋給發射端，因而功率在發射端各天線平均分配。

　　（5）接收端給發射端進行信息反饋，發射端就可以了解全部或者部分信道狀態信息，信息的傳輸方式稱為閉環傳輸模式。閉環傳輸模式下，發射端需要從接收端得到下行信道狀態的反饋，構成反饋信道，也將依次在各數據流間調整發射功率。

　　MIMO技術已經成為無線通信領域的關鍵技術之一，通過近幾年的持續發展，MIMO技術將越來越多地應用于各種無線通信系統。在無線寬帶移動通信系統方面，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的系統中也將應用MIMO技術。在無線寬帶接入系統中，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研究中，如超寬帶（UWB）系統、感知無線電系統（CR），都在考慮應用MIMO技術。

　　摩爾實驗室（MORLAB）在通信測試認證方面積累了豐富的經驗，摩爾實驗室技術人員也會緊跟技術變更的步伐，定期將我們的心得總結成文，供大家參考。