MIMO

MIMO簡介

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)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(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)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(shù)。

MIMO百科

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)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(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)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(shù)。

　　原理

　　多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)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(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)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(shù)。

　　圖1是MIMO系統(tǒng)的一個(gè)原理框圖。發(fā)射端通過空時(shí)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(jìn)行空時(shí)譯碼從而恢復(fù)出發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。根據(jù)空時(shí)映射方法的不同，MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：空間分集和空間復(fù)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(shí)在接收機(jī)端獲得同一個(gè)數(shù)據(jù)符號的多個(gè)獨(dú)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(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為n 。對于發(fā)射分集技術(shù)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(gè)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(dú)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(shù)主要有空時(shí)分組碼（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技術(shù)。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(shè)計(jì)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唬鐖D2-19中x 1和x 2的內(nèi)積為0，這時(shí)接收端就可以利用發(fā)送端信號矢量的正交性恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。使用STBC技術(shù)，能夠達(dá)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(shù)時(shí)最大分集增益為MN。波束成形技術(shù)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(qiáng)度，通常波束成形技術(shù)需要計(jì)算各個(gè)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(jì)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(shù)可以獲得的最大發(fā)送分集增益為M。空間復(fù)用技術(shù)是將要傳送的數(shù)據(jù)可以分成幾個(gè)數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進(jìn)行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。常用的空間復(fù)用方法是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的垂直分層空時(shí)碼，即V-BLAST技術(shù)，如圖3所示。

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系統(tǒng)是一項(xiàng)運(yùn)用于802.11n的核心技術(shù)。

　　802.11n是IEEE繼802.11b\a\g后全新的無線局域網(wǎng)技術(shù)，速度可達(dá)600Mbps。同時(shí)，專有MIMO技術(shù)可改進(jìn)已有802.11a/b/g網(wǎng)絡(luò)的性能。該技術(shù)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(diǎn)

　　無線電發(fā)送的信號被反射時(shí)，會產(chǎn)生多份信號。每份信號都是一個(gè)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(gè)空間流。MIMO允許多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)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(shù)的應(yīng)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(diǎn)到MIMO客戶端之間，可以同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)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(fù)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(yīng)用，使得并行數(shù)據(jù)流可以同時(shí)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(xiàn)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(nèi)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(yīng)用，這樣帶來的一個(gè)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(fù)雜的非線性設(shè)計(jì)來避免上述提到的干擾，而只需要簡單的線性設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)較好的系統(tǒng)性能。比如在預(yù)編碼方法研究方面（預(yù)編碼/波束成形在Martin JIANG的回答中有詳細(xì)的介紹）：傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)中一般研究非線性預(yù)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(yù)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(fù)雜度較高，隨著基站天線數(shù)量的增加，若采用非線性預(yù)編碼會導(dǎo)致基站的計(jì)算復(fù)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(shí)際的測量（見文獻(xiàn)“Linear pre-coding performance in measured very-large MIMO channels”），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，采用低復(fù)雜度的線性預(yù)編碼即可實(shí)現(xiàn)DPC預(yù)編碼的98%的性能。

　　由此可見，天線數(shù)量的增加直接導(dǎo)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(guān)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(chǔ)，如果信道模型是錯(cuò)的話，很多研究將失去意義。

　　2、導(dǎo)頻設(shè)計(jì)以及降低導(dǎo)頻污染研究。

　　Trigger：天線數(shù)目增加后，噪聲、小區(qū)內(nèi)干擾等非相關(guān)因素都會隨之消失，而導(dǎo)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(dǎo)頻、如何分配導(dǎo)頻功率來降低導(dǎo)頻污染等問題變得更為重要。

　　3、FDD模式下，下行信道估計(jì)、信號反饋、兩階段預(yù)編碼等研究。

　　Trigger：下行信道估計(jì)的導(dǎo)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(shí)間內(nèi)可發(fā)送的數(shù)據(jù)符號數(shù)目有限（比如200），導(dǎo)頻開銷過大會嚴(yán)重降低有用數(shù)據(jù)符號的發(fā)送，同理，用戶估計(jì)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(dǎo)致低頻譜效率。

　　4、降低硬件開銷的混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)和方法研究。

　　Trigger：傳統(tǒng)的信號處理方法需要每根天線對應(yīng)一個(gè)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(shè)計(jì)和研究降低射頻鏈路的預(yù)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(dǎo)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(jìn)行信號處理，以及如何彌補(bǔ)硬件的不足。

　　6、其他利用空間自由度、統(tǒng)計(jì)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(gè)問題：1、大規(guī)模MIMO與MIMO的區(qū)別：天線數(shù)顯著增加，導(dǎo)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(fù)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(jīng)成為每個(gè)家庭的標(biāo)配。而且不少朋友已經(jīng)對無線路由器有了較多的了解，比如11n標(biāo)準(zhǔn)、11ac標(biāo)準(zhǔn)、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(gè)新名詞“MU-MIMO”，那么它又是什么意思呢？

　　其實(shí)MU-MIMO一詞與802.11n時(shí)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(shù)可簡單理解為將網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行多重切割，然后經(jīng)過多重天線進(jìn)行同步傳送。其帶來的好處是增加單一設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速度，同時(shí)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?？梢哉f，從11g時(shí)代54Mbps的傳輸速率，到11n時(shí)代的300Mbps，甚至是600Mbps的傳輸速率，MIMO技術(shù)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(chǎn)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(shù)的無線路由/AP同一時(shí)間只能與1個(gè)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(jìn)入802.11ac 2.0時(shí)代（即Wave2標(biāo)準(zhǔn)，引入了MU-MIMO技術(shù)），MIMO間隙的問題終于得到了解決，因?yàn)镸U-MIMO技術(shù)可在同一時(shí)間讓一臺無線路由/AP同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送至多個(gè)客戶端（需要強(qiáng)調(diào)的是，WiFi終端必須也要支持MU-MIMO技術(shù)），即同時(shí)為每一個(gè)客戶端建立一個(gè)獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)的無線路由/AP的整體理論傳輸速率可達(dá)1.73Gbps，當(dāng)它與不支持MU-MIMO技術(shù)的1*1（1天線）WiFi終端連接和傳輸時(shí)，最高理論傳輸速率僅為433Mbps，同一時(shí)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(shù)，那么這臺路由器就可在同一時(shí)間最多與4個(gè)客戶端進(jìn)行連接和傳輸，這樣AP的總?cè)萘烤捅怀浞值睦昧恕?/p>

　　那么該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果如何呢？經(jīng)過ZOL的實(shí)測（看詳細(xì)評測請點(diǎn)擊這里》》），當(dāng)三個(gè)支持MU-MIMO技術(shù)的移動終端同時(shí)接入支持MU-MIMO技術(shù)的無線路由器時(shí)，手機(jī)端的傳輸速率最高可以達(dá)到220Mbps左右；而當(dāng)三個(gè)支持MU-MIMO技術(shù)的移動終端同時(shí)接入僅支持MIMO技術(shù)的高端無線路由器時(shí)，手機(jī)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(dāng)?shù)拿黠@！