MIMO技術原理、概念、現狀簡介

2019-11-03 09:24:46

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　　多入多出(MIMO)或多發多收天線(MTMRA)技術是無線移動通信領域智能天線技術的重大突破。該技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率，是新一代移動通信系統必須采用的關鍵技術。

　　那么MIMO技術究竟是怎樣的？

　　實際上多進多出（ＭＩＭＯ）技術由來已久，早在１９０８年馬可尼就提出用它來抗衰落。在70年代有人提出將多入多出技術用于通信系統，但是對無線移動通信系統多入多出技術產生巨大推動的奠基工作則是90年代由AT&T Bell實驗室學者完成的。1995年Teladar給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia給出了一種多入多出處理算法——對角-貝爾實驗室分層空時(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等討論了用于多入多出的空時碼；1998年Wolniansky等人采用垂直-貝爾實驗室分層空時(V-BLAST)算法建立了一個MIMO實驗系統，在室內試驗中達到了20 bit/s/Hz以上的頻譜利用率，這一頻譜利用率在普通系統中極難實現。這些工作受到各國學者的極大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速發展。

　　一句話，MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）系統就是利用多天線來抑制信道衰落。根據收發兩端天線數量，相對于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系統，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multi-ple-Output）系統和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統。

　　MIMO的概念

　　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。圖1所示為MIMO系統的原理圖。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。

圖1 多入多出系統原理

　　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。

　　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。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。

　　MIMO研究狀況

　　目前，各國學者對于MIMO的理論、性能、算法和實現的各方面正廣泛進行研究。在MIMO系統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、非平穩多入多出系統，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系統及室外快速移動系統來說是不夠的，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。

　　另外實驗系統是MIMO技術研究的重要一步。實際系統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。

　　Bell實驗室的BLAST系統[4]是最早研制的MIMO實驗系統。該系統工作頻率為1.9 GHz，發射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。頻譜利用率達到了25.9 bits/(Hz·s)。但該系統僅對窄帶信號和室內環境進行了研究，對于在3G、4G應用尚有相當大距離。在發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中，每一基臺各設置2副發送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設置1副發送天線和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，相應地加大了系統容量。而且，基臺的兩副發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展。BLAST技術就其原理而言，是利用每對發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，提高系統容量。理論研究業已證明，采用BLAST技術，系統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Thomas Edison（愛迪生）發明獎。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內第一款結合了貝爾實驗室Layered Space 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，Airgo Networks推出了AGN100 Wi-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，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。

　　憑借在提高系統頻譜利用率方面卓越的性能表現，多輸入多輸出（MIMO）技術已經成為移動通信技術發展進程中炙手可熱的課題。

　　
摘自　移動通信在線　

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