什么是MIMO？為什么要用MIMO？MIMO的形式？

什么是MIMO？

MIMO技術(shù)是指能在不增加帶寬的情況下，成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。

它可以定義為發(fā)送端和接收端之間存在多個獨立信道，也就是說天線單元之間存在充分的間隔，因此，消除了天線間信號的相關(guān)性，提高了信號的鏈路性能，增加了數(shù)據(jù)吞吐量。



在設(shè)計上，MIMO是5g和WiFi-6的核心技術(shù)所在，多組天線的收發(fā)，能夠保障穩(wěn)定的信息傳輸和更大的信道容量，使得網(wǎng)速大大提升。

為什么要用MIMO？

先來介紹一下傳輸理論公式：



從公式我們都知道，要想接收功率大，只有以下幾種方法：增大發(fā)射功率，增大發(fā)射、接收天線增益，增大波長，減小通信距離。

從實際應(yīng)用中，為了保證通信容量，低頻段很難保證；縮短通信距離意味著需要更多的基站；增大發(fā)射功率意味著成本指數(shù)級增長，同時由于無委會的限制，好多公網(wǎng)頻段的發(fā)射功率都有限制；最終結(jié)果就只有一個，增大接收天線和發(fā)射天線的增益。

但是單天線的增益不是無限增加的，這里就不得不引入一個新概念-波束賦形。

波束賦形也可以看作是一個空間的高級濾波器，把天線輻射的能量集中起來。這一特殊功能形成特定的波束并通過波束進行數(shù)據(jù)傳輸。



單天線的增益沒有辦法無限增加，但是可以通過多天線賦型實現(xiàn)增益的提升。

MIMO的形式？

MIMO主要使用了兩種關(guān)鍵技術(shù)：空間分集和空分復(fù)用。不管是分集技術(shù)還是復(fù)用技術(shù)，都是把一路數(shù)據(jù)變成多路數(shù)據(jù)的技術(shù)，可以歸為空時編碼技術(shù)。

空間分集，又被稱為天線分集，是無線通信中使用最多的分集形式，它既可以用于移動臺，也可以用于基站，或者同時應(yīng)用于兩者。

空間分集基于這樣一個事實:在移動臺端，如果天線間的相隔距離等于或者大于半個波長，或者在基站端分集天線間的相隔距離大于一定值(通常是幾十個波長)，那么不同的分集天線上收到的信號包絡(luò)將基本上是不相關(guān)的。

空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個數(shù)據(jù)通道（MIMO子信道）發(fā)射信號，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。

這種信道容量的增加不需要占用額外的帶寬，也不需要消耗額外的發(fā)射功率，因此是提高信道和系統(tǒng)容量一種非常有效的手段。



其實簡單理解也就是空間分集不同通道中傳輸?shù)氖窍嗤臄?shù)據(jù)。

有效降低了多徑效應(yīng)的影響。

空間復(fù)用不同通道中傳輸?shù)氖遣煌臄?shù)據(jù)。

大大增加了信道容量。

MIMO的本質(zhì)就是一種復(fù)雜的分集技術(shù)，它通過空間復(fù)用和空間分集這兩種方式來提高信息傳輸速率或改善系統(tǒng)性能。

空間分集是為了提高系統(tǒng)的魯棒性，而空間復(fù)用更多的是為了提高系統(tǒng)的吞吐量；這兩種技術(shù)都可以有效的提高信號增益。



今天我們重點來了解一下分集技術(shù)。

空間分集（又叫做天線分集），指將同一信息進行編碼后從多指將同一信息進行編碼后從多根天線上發(fā)射出去的方式，接收端將信號區(qū)分出來并進行合并，從而獲得分集增益。

空間分集技術(shù)經(jīng)常用于城市蜂窩系統(tǒng)中，它可以通過選擇最好的接收信號或其合成信號以減少衰落的影響。

分集的基本思想是將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的（獨立的）多路信號，然后把這些多路信號分離信號的能量按一定的規(guī)則合并起來，使接收到的有用信號能量最大，進而提高接收信號的信噪比。

因此，分集接收包括兩個方面的內(nèi)容：一是如何把接收的多徑信號分離出來使其互不相關(guān)，二是將分離出來的多徑信號恰當(dāng)合并，以獲得最大信噪比。

在空間分集系統(tǒng)模型中，當(dāng)發(fā)射天線間距大于長度d時，我們可以認(rèn)為不同子信道的信道增益相互獨立，產(chǎn)生的信號路徑也是不相關(guān)的，d是與天線所處的散射環(huán)境和載波頻率有關(guān)的常數(shù)（通常我們認(rèn)為d大于1/2的波長）。

那么MIMO天線分集是不是天線越多越好？ 香農(nóng)給出了單發(fā)射天線、單接收天線的SISO無線信道的極限容量公式：



B為信道帶寬，S/N為接收端信噪比。

由香農(nóng)公式，提高SNR或帶寬可以增加無線信道容量。但發(fā)射功率P和帶寬都是有一定限度的。在一定帶寬條件下，SISO無論采用什么樣的編碼和調(diào)制方式，系統(tǒng)容量都不可能超過香農(nóng)公式極限。

目前廣泛使用的Turbo碼、LDPC碼，使信道容量逼近了信道容量極限。

但多天線的情況下，信道容量隨著接收天線數(shù)量Mr的增加而增加，兩者為對數(shù)關(guān)系；信道容量也隨著發(fā)射天線數(shù)量Mt的增加而增加，兩者也為對數(shù)關(guān)系； 也就是說發(fā)射分集和接受分集可以改善接收端的信噪比，從而提高信道容量和頻譜效率，但對信道容量的提升也是有限的，僅為對數(shù)關(guān)系。

MIMO系統(tǒng)容量會隨著發(fā)射端或接收端天線數(shù)中較小的一方min（Mr，Mt）的增加而線性增加（不是對數(shù)增加）。

對于天線分集技術(shù)，由于不同通道傳輸數(shù)據(jù)相同切互不相關(guān)所以，在射頻方案的設(shè)計上與普通的方案設(shè)計沒有什么區(qū)別。

MIMO技術(shù)主要分為分集與復(fù)用，分集技術(shù)通信容量的提升有限，分集的容量提升主要體現(xiàn)在信噪比的提升。 復(fù)用技術(shù)的提升體現(xiàn)通信容量的成倍增加。

空間復(fù)用從工作方式上分為：半雙工和全雙工 半雙工就是我們常說的TDD，收發(fā)頻率相同，收發(fā)不同時，因此射頻方案的設(shè)計不需要考慮自干擾的問題；方案設(shè)計相對而言比較簡單。下圖是一個典型的TDD 4*4MIMO的收發(fā)系統(tǒng)。

?

全雙工也分為FDD與完全全雙工，F(xiàn)DD顧名思義收發(fā)頻率不相同，由于收發(fā)可能同時存在，在射頻方案設(shè)計時需要考慮發(fā)射對接收的影響，一般來說我們通過共址濾波器來實現(xiàn)FDD的寬帶噪聲抑制，由于收發(fā)處于同一時段，所以在濾波器的設(shè)計與選擇時，對濾波器的性能要求較高，假設(shè)發(fā)射功率33dBm，接收靈敏度-100dBm，那么就要求接收通道的濾波器對發(fā)射通道的抑制要達到133dBc. 對于FDD方案設(shè)計來說，單個濾波器沒有辦法實現(xiàn)這么高的抑制，所以在方案的設(shè)計時，需要收發(fā)的中頻設(shè)計為不同的頻率，通過高性能雙工器加上高選擇性的中頻濾波器來實現(xiàn)板級的寬帶噪聲抑制。

下圖是一個集群FDD系統(tǒng)對雙工器的指標(biāo)技術(shù)要求。



不管是FDD還是TDD，由于空間復(fù)用方式定義不同通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不同，因此對射頻通道的幅度與相位都有著較高的要求，所以在上述兩種方案設(shè)計時，都需要考慮不同通道的幅度一致性與相位一致性進行設(shè)計考。

一般而言我們通過數(shù)控衰減器與移相器來實現(xiàn)對通道的幅頻響應(yīng)控制。

第三種，完全全雙工，顧名思義，收發(fā)同頻同時。

這是5G大規(guī)模MIMO的一個重要的研究方向，這個技術(shù)在國內(nèi)通信行業(yè)來說是一個比較先進的技術(shù)，因為同頻同時，因此自干擾就不可避免的出現(xiàn)了。



解決自干擾模擬對消與數(shù)字對消。

在具體實施的過程中，可能不僅僅做一次相減即可，而需要做多次，如下面的框架圖



其中Hc,r(s)那里是第一次相減，即模擬相減，原因是在于，如果不減的話，那么由于本地的發(fā)送信號到接收信號沒有距離上的衰減，所以很強，如果該信號再次經(jīng)過LNA（低噪聲放大器），那么信號是滿格，或者破壞LNA，所以需要第一次抵消自己的發(fā)送信號，相當(dāng)于一次粗過濾。

然后在數(shù)字解調(diào)部分，即Hc,d(s)那里做第二次相減，即數(shù)字相減，做一次細(xì)的過濾，從而解出對方的信號。

全雙工技術(shù)的實現(xiàn)必然是一次顛覆性創(chuàng)新，射頻工程師也能在此技術(shù)崛起的過程中再次站上關(guān)鍵崗位，但是全雙工技術(shù)目前一直還停留在實驗室階段，華為早在2019年就已經(jīng)在打板驗證全雙工技術(shù)，但是目前為止，也沒有推向市場。

審核編輯：劉清