MIMO

MIMO簡介

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)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(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動通信的核心技術。

MIMO百科

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)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(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動通信的核心技術。

　　原理

　　多輸入多輸出技術（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)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(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動通信的核心技術。

　　圖1是MIMO系統(tǒng)的一個原理框圖。發(fā)射端通過空時映射將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號映射到多根天線上發(fā)送出去，接收端將各根天線接收到的信號進行空時譯碼從而恢復出發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。根據(jù)空時映射方法的不同，MIMO技術大致可以分為兩類：空間分集和空間復用。空間分集是指利用多根發(fā)送天線將具有相同信息的信號通過不同的路徑發(fā)送出去，同時在接收機端獲得同一個數(shù)據(jù)符號的多個獨立衰落的信號，從而獲得分集提高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用一根發(fā)射天線n 根接收天線，發(fā)送信號通過n 個不同的路徑。如果各個天線之間的衰落是獨立的，可以獲得最大的分集增益為n 。對于發(fā)射分集技術來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個具有m根發(fā)射天線n 根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。目前在MIMO系統(tǒng)中常用的空間分集技術主要有空時分組碼（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技術。STBC是基于發(fā)送分集的一種重要編碼形式，其中最基本的是針對二天線設計的Alamouti方案，具體編碼過程如圖2所示。

　　可以發(fā)現(xiàn)STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天線上面要傳輸?shù)男盘柺噶肯嗷フ?，如圖2-19中x 1和x 2的內積為0，這時接收端就可以利用發(fā)送端信號矢量的正交性恢復出發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。使用STBC技術，能夠達到滿分集的效果，即在具有M根發(fā)射天線N 根接收天線的系統(tǒng)中采用STBC技術時最大分集增益為MN。波束成形技術是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效提高天線增益。為了能夠最大化指向用戶的波束的信號強度，通常波束成形技術需要計算各個發(fā)射天線上發(fā)送數(shù)據(jù)的相位和功率，也稱之威波束成形矢量。常見的波束成形矢量計算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根發(fā)射天線采用波束成形技術可以獲得的最大發(fā)送分集增益為M?？臻g復用技術是將要傳送的數(shù)據(jù)可以分成幾個數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。常用的空間復用方法是貝爾實驗室提出的垂直分層空時碼，即V-BLAST技術，如圖3所示。

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系統(tǒng)是一項運用于802.11n的核心技術。

　　802.11n是IEEE繼802.11b\a\g后全新的無線局域網(wǎng)技術，速度可達600Mbps。同時，專有MIMO技術可改進已有802.11a/b/g網(wǎng)絡的性能。該技術最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multi-ple-Output）系統(tǒng)和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統(tǒng)。

　　優(yōu)點

　　無線電發(fā)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(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個空間流。MIMO允許多個天線同時發(fā)送和接收多個空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空間方位的信號。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(tǒng)的覆蓋范圍。

　　提高信道的容量

　　MIMO接入點到MIMO客戶端之間，可以同時發(fā)送和接收多個空間流，信道容量可以隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。

　　提高信道的可靠性

　　利用MIMO信道提供的空間復用增益及空間分集增益，可以利用多天線來抑制信道衰落。多天線系統(tǒng)的應用，使得并行數(shù)據(jù)流可以同時傳送，可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。

　　大規(guī)模MIMO和MIMO區(qū)別

　　說到大規(guī)模MIMO最常想到的就是 T. L. Marzetta在2010年那篇文獻中指出的：“by increasing the number of antennas at the base station， we can average out the effects of fading， thermal noise and intra-cell interference.”即通過增加基站端的天線，可以平均掉衰落、噪聲、小區(qū)內干擾等，在分析方法上體現(xiàn)為大數(shù)定理、中心極限定理的應用，這樣帶來的一個好處是：大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信號處理方法不需要再采用復雜的非線性設計來避免上述提到的干擾，而只需要簡單的線性設計即可實現(xiàn)較好的系統(tǒng)性能。比如在預編碼方法研究方面（預編碼/波束成形在Martin JIANG的回答中有詳細的介紹）：傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)中一般研究非線性預編碼方案，比如DPC（dirty-paper coding，臟紙），而大規(guī)模MIMO中一般采用線性預編碼，比如MRT（最大比發(fā)送）、ZF（迫零）、MMSE（最小均方誤差）。DPC這類算法的復雜度較高，隨著基站天線數(shù)量的增加，若采用非線性預編碼會導致基站的計算復雜度激增，顯然DPC這類方法不再適用于大規(guī)模MIMO。此外，Lund University做了一些實際的測量（見文獻“Linear pre-coding performance in measured very-large MIMO channels”），實驗結果表明，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，采用低復雜度的線性預編碼即可實現(xiàn)DPC預編碼的98%的性能。

　　由此可見，天線數(shù)量的增加直接導致了信號處理方法的不同。引發(fā)了新的問題和挑戰(zhàn)：

　　1、信道測量和建模。

　　Trigger：天線數(shù)增加后信道特性會如何變化，相關性、信道衰落特性等都需要測量和研究，而信道建模是理論研究的基礎，如果信道模型是錯的話，很多研究將失去意義。

　　2、導頻設計以及降低導頻污染研究。

　　Trigger：天線數(shù)目增加后，噪聲、小區(qū)內干擾等非相關因素都會隨之消失，而導頻污染會成為限制大規(guī)模MIMO性能的唯一因素。如何分配導頻、如何分配導頻功率來降低導頻污染等問題變得更為重要。

　　3、FDD模式下，下行信道估計、信號反饋、兩階段預編碼等研究。

　　Trigger：下行信道估計的導頻符號開銷正比于基站天線數(shù)目（需大于等于天線數(shù)），然而相干時間內可發(fā)送的數(shù)據(jù)符號數(shù)目有限（比如200），導頻開銷過大會嚴重降低有用數(shù)據(jù)符號的發(fā)送，同理，用戶估計出信道后，將信道狀態(tài)信息反饋給基站亦需要較大開銷，導致低頻譜效率。

　　4、降低硬件開銷的混合預編碼結構和方法研究。

　　Trigger：傳統(tǒng)的信號處理方法需要每根天線對應一個射頻鏈路，然而射頻鏈路非常昂貴，隨著天線數(shù)增加，硬件和能量開銷都會隨之增大，所以如果設計和研究降低射頻鏈路的預編碼方案非常重要。

　　5、低精度硬件和非完美硬件下的信號處理研究。

　　Trigger：該問題仍然是由天線數(shù)增加導致硬件開銷大的問題引發(fā)的，為了降低硬件的成本，通常會采用不完美的硬件（低成本、低精度硬件），在這種情況下如何進行信號處理，以及如何彌補硬件的不足。

　　6、其他利用空間自由度、統(tǒng)計信道狀態(tài)信息、波束選擇、天線選擇等系列研究。

　　那么下面簡要回答下最初提到的兩個問題：1、大規(guī)模MIMO與MIMO的區(qū)別：天線數(shù)顯著增加，導致信道的空間特性，信號的處理方法等方面均發(fā)生明顯變化，引發(fā)了新的問題和挑戰(zhàn)。2、MIMO與大規(guī)模MIMO中的方法是否可以通用：MIMO中的信號處理方法原則上可以直接用到大規(guī)模MIMO中，但是天線數(shù)增加后，MIMO的方法可能會表現(xiàn)出不同的效果，此外，MIMO中的方法會存在復雜度高的問題，通常不適用于大規(guī)模MIMO。而大規(guī)模MIMO的方法往往利用到了大規(guī)模MIMO新的特性，通常不適用于MIMO。

　　從MIMO到MU-MIMO：改變究竟有多大？

　　如今說起無線路由器，幾乎已經成為每個家庭的標配。而且不少朋友已經對無線路由器有了較多的了解，比如11n標準、11ac標準、2.4GHz和5GHz雙頻段，再比如300M、600M、1200M、1750M傳輸速率等等。但如果你最近購買了高端無線路由器，你就會發(fā)現(xiàn)其包裝盒上又有了一個新名詞“MU-MIMO”，那么它又是什么意思呢？

　　其實MU-MIMO一詞與802.11n時代的“MIMO”一詞頗有淵源。MIMO，即Multiple Input Multiple Output（多輸入多輸出）的縮寫，MIMO技術可簡單理解為將網(wǎng)絡資源進行多重切割，然后經過多重天線進行同步傳送。其帶來的好處是增加單一設備的數(shù)據(jù)傳輸速度，同時不用額外占用頻譜范圍；此外，其還能增加無線訊號接收距離。可以說，從11g時代54Mbps的傳輸速率，到11n時代的300Mbps，甚至是600Mbps的傳輸速率，MIMO技術功不可沒。

　　但MIMO（也稱SU-MIMO，即單用戶多輸入多輸出）也有自己的缺陷——會產生MIMO間隙。簡單來說就是目前我們熟悉的無線路由/AP大都有3-4根天線，但WiFi終端通常只有1-2根天線。而采用MIMO技術的無線路由/AP同一時間只能與1個WiFi終端建立連接和通訊，因此WiFi終端很難全部占用所有傳輸信道，即無法占滿無線路由/AP的全部容量，這種差異就被稱為MIMO間隙。

　　而進入802.11ac 2.0時代（即Wave2標準，引入了MU-MIMO技術），MIMO間隙的問題終于得到了解決，因為MU-MIMO技術可在同一時間讓一臺無線路由/AP同時將數(shù)據(jù)發(fā)送至多個客戶端（需要強調的是，WiFi終端必須也要支持MU-MIMO技術），即同時為每一個客戶端建立一個獨立的“空間流”。

　　舉例來說，目前支持4*4（每一條流的理論傳輸速率為433Mbps）11ac 2.0標準的無線路由/AP的整體理論傳輸速率可達1.73Gbps，當它與不支持MU-MIMO技術的1*1（1天線）WiFi終端連接和傳輸時，最高理論傳輸速率僅為433Mbps，同一時間其余的1.3Gbps的容量都被閑置；而如果無線路由/AP和客戶端均支持MU-MIMO技術，那么這臺路由器就可在同一時間最多與4個客戶端進行連接和傳輸，這樣AP的總容量就被充分的利用了。

　　那么該技術的實際應用效果如何呢？經過ZOL的實測（看詳細評測請點擊這里》》），當三個支持MU-MIMO技術的移動終端同時接入支持MU-MIMO技術的無線路由器時，手機端的傳輸速率最高可以達到220Mbps左右；而當三個支持MU-MIMO技術的移動終端同時接入僅支持MIMO技術的高端無線路由器時，手機端的最高傳輸速率為66Mbps左右，僅是MU-MIMO模式下的三分之一，差距可以說是相當?shù)拿黠@！