通俗易懂的MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介

通俗易懂的MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介通俗易懂的MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介通俗易懂的MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介xxx公司通俗易懂的MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度通俗易懂的MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介MIMO概述MIMO技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在許多現(xiàn)代通信標(biāo)準(zhǔn)中，特別是消費(fèi)領(lǐng)域。原因是相對(duì)于SISO，MIMO技術(shù)有很明顯的優(yōu)勢(shì)。MIMO是多路輸入多路輸出的意思，指的是當(dāng)一個(gè)報(bào)文在發(fā)射端被一根或者多跟天線傳輸，而在接收側(cè)被一根或者多根天線接收的情況。與之比對(duì)的是單輸入單輸出（SISO），SISO指發(fā)送和接收都用1根天線，而另外有種說(shuō)法叫單輸入多輸出（SIMO），SIMO指發(fā)送用一根，接收有多根天線?？赡苡腥藭?huì)對(duì)SIMO的輸入和輸出定義有點(diǎn)奇怪，其實(shí)這是因?yàn)楫?dāng)初在貝爾實(shí)驗(yàn)室最開始定義這個(gè)名稱時(shí)，工程師在發(fā)送和接收側(cè)都是分別測(cè)試的，而不是整個(gè)無(wú)線鏈路測(cè)試，因此他們把“IN”定義為發(fā)送功能，“OUT”定義為了接收，一直沿用至今。什么是多天線技術(shù)？在發(fā)送和接收側(cè)的多天線引入了信號(hào)自由度的概念，這在SISO系統(tǒng)是沒(méi)有的。這里的自由度主要指的是空間自由度。這種空間自由度可以被定義三種，分別為“分集”，“復(fù)用”或者這兩種的組合。分集（diversity）簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)，分集意味著重復(fù)：舉個(gè)例子，多根天線接收同一個(gè)信號(hào)，就代表發(fā)射分集。由于每根天線在接收數(shù)據(jù)時(shí)也接收到了各自的噪聲，但由于各個(gè)噪聲的不相關(guān)性，合并多個(gè)天線信號(hào)能夠消除部分噪聲，從而得質(zhì)量更好的信號(hào)。打個(gè)比方，如果從兩個(gè)不同的方面來(lái)看同一個(gè)物件，那么得到的評(píng)價(jià)也會(huì)更可靠。需要說(shuō)明的是，分集并不一定要多個(gè)接收天線才能實(shí)現(xiàn)，后面就會(huì)講到，分集也可以使用多個(gè)發(fā)送天線通過(guò)空時(shí)編碼（STC）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？臻g復(fù)用（SpatialMultiplexing）第二個(gè)主要的MIMO技術(shù)為空間復(fù)用，空間復(fù)用可以在不增加帶寬和發(fā)送功率的情況下通過(guò)成對(duì)的MIMO發(fā)送、接收來(lái)增加系統(tǒng)吞吐量?？臻g復(fù)用增加的吞吐量與發(fā)送或接收天線數(shù)目（較少的那個(gè)）成線性關(guān)系?？臻g復(fù)用中，每個(gè)傳輸天線發(fā)送不同的bit流信息，每個(gè)接收天線收到來(lái)自所有傳輸天線的線性綜合信息。這樣，整個(gè)無(wú)線信道構(gòu)成一個(gè)矩陣，由發(fā)射和接收天線陣列組成，反射和散射等信道傳輸因素也考慮在里面。而當(dāng)這個(gè)MIMO系統(tǒng)在一個(gè)散射特別強(qiáng)的環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，信道矩陣就可逆，（這是因?yàn)樨S富的散射讓矩陣行列不相關(guān)），這樣接收譯碼出來(lái)的信號(hào)就有多路增益。總結(jié)：分集可以獲得信號(hào)增益，而空間復(fù)用能夠提升系統(tǒng)吞吐量。需要說(shuō)明的是，MIMO系統(tǒng)中需要權(quán)衡分集和復(fù)用所能帶來(lái)的增益，一個(gè)典型的MIMO系統(tǒng)，根據(jù)無(wú)線信道條件可以自動(dòng)的找到分集和復(fù)用曲線的均衡點(diǎn)。MIMO技術(shù)現(xiàn)代MIMO技術(shù)中，使用較多和較為成熟的就是波束成形、空時(shí)編碼以及空間復(fù)用技術(shù)。特征波束成形（Eigen-Beamforming）在傳輸和接收端都可以使用特征波束成形（Eigen-Beamforming）。通常情況下，我們使用高增益的定向天線，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的增益。但特征波束成形技術(shù)可以獲得相同的增益，同時(shí)不需要考慮天線的方向和周邊環(huán)境散射等因素。提到特征波束成形，很多人都想到了軍用的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，相控陣系統(tǒng)將許多天線組成一個(gè)天線簇，然后通過(guò)控制天線簇的方位，針對(duì)某個(gè)方向形成發(fā)送或者接收的“波束”。相控陣看上去很高大上，因?yàn)樗脕?lái)很多非常昂貴的軍事系統(tǒng)中，但實(shí)際上它就是實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代MIMO技術(shù)中較為簡(jiǎn)單的波束成形的功能。相控陣系統(tǒng)通過(guò)有限的相位偏移和合并多個(gè)模擬域信號(hào)來(lái)完成波束成形，存在幾個(gè)不足，首先是它的性能增益隨著帶寬的增加而減少，另外就是它只能實(shí)現(xiàn)視距條件下的波束成形，非視距情況下的散射和反射都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)急劇衰減。而MIMO特征波束成形是從數(shù)字域?qū)λ刑炀€的信號(hào)進(jìn)程處理，使用了最為成熟的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，甚至MIMO特征波束成形可以單獨(dú)處理每個(gè)OFDM窄帶子載波。MIMO系統(tǒng)的波束成形就是特征波束成形，它不是簡(jiǎn)單局限在一個(gè)三維空間內(nèi)塑造一個(gè)波束，也不會(huì)被散射和多徑反射所干擾。當(dāng)一個(gè)特征波束成形器從有效天線方向圖上面接收到的一個(gè)非視距的、帶有多種反射的信號(hào)時(shí)，特征波束成型器就根據(jù)收到信號(hào)進(jìn)行處理，從各路反射上獲得多路增益?？諘r(shí)編碼技術(shù)（Space-TimeCoding）在多天線的發(fā)射端采用空時(shí)編碼技術(shù)，可以讓單接收天線獲得和多接收天線相同的增益?？諘r(shí)編碼技術(shù)將原本在單天線上傳輸?shù)男盘?hào)，通過(guò)信號(hào)處理手段得到數(shù)學(xué)變化后的信號(hào)，再讓額外的天線來(lái)發(fā)送這些信號(hào)，這樣可以提高接收端從噪聲中提取有用信號(hào)的能力?？諘r(shí)編碼是波束成形或者分集接收的很好對(duì)端匹配。舉個(gè)例子，車載無(wú)線設(shè)備一般都有四根天線，而手持型設(shè)備一般只有1到2根天線。如果手持設(shè)備通過(guò)單天線傳輸，車載設(shè)備可以通過(guò)接收分集或者波束成形來(lái)增加接收增益。反過(guò)來(lái)，空時(shí)編碼可以讓車載設(shè)備通過(guò)四根天線發(fā)射數(shù)據(jù)，手持型設(shè)備單天線接收空時(shí)編碼后的數(shù)據(jù)也能有產(chǎn)生增益。這樣使得鏈路更加對(duì)稱，同時(shí)也保證了雙向通信?？臻g復(fù)用技術(shù)（SpatialMultiplexing）空間復(fù)用技術(shù)，是比較難理解的MIMO技術(shù)。這種MIMO技術(shù)在不同的天線，同一的頻點(diǎn)上傳輸多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。接收端必須使用不少于數(shù)據(jù)流數(shù)目的接收天線才能譯碼正確，這樣在頻點(diǎn)資源一定的情況下能提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。4x4的MIMO系統(tǒng)，最多能同時(shí)支持4個(gè)數(shù)據(jù)流，這樣他的吞吐量是同樣帶寬的SISO系統(tǒng)的4倍。假設(shè)我們有四個(gè)數(shù)據(jù)流需要傳輸（A,B,C和D），這些數(shù)據(jù)流在空間疊加到達(dá)接收端后變成（wA+xB+yC+zD），這里x，y，w和z分別代表每根天線上由于多徑導(dǎo)致的信道變化。接收端可以通過(guò)線性代數(shù)的方法，解一個(gè)四元四次方程組，從而恢復(fù)A，B，C和D四個(gè)原始值。MIMO空間復(fù)用技術(shù)有個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是在不降低鏈路穩(wěn)定性的情況下提高頻譜利用率，就入同使用了高階星座圖解調(diào)一樣。例如，相同的信道下，假設(shè)MIMO系統(tǒng)中2個(gè)數(shù)據(jù)流配合使用16QAM和相當(dāng)文檔的FE