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標(biāo)簽 > MIMO
MIMO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(hào)通過(guò)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(guò)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(shì)、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。
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(hào)通過(guò)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(guò)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(shì)、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。
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(hào)通過(guò)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(guò)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(shì)、被視為下一代移動(dòng)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(hào)通過(guò)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(guò)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(shì)、被視為下一代移動(dòng)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(guò)空時(shí)映射將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)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(hào)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(hào)。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(hào)通過(guò)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(hào)的多個(gè)獨(dú)立衰落的信號(hào),從而獲得分集提高的接收可靠性。舉例來(lái)說(shuō),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(hào)通過(guò)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(duì)于發(fā)射分集技術(shù)來(lái)說(shuō),同樣是利用多條路徑的增益來(lái)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(duì)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(duì)二天線設(shè)計(jì)的Alamouti方案,具體編碼過(guò)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?hào)矢量相互正交,如圖2-19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(hào)矢量的正交性恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。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(guò)不同的發(fā)射天線來(lái)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(hào)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(jiàn)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(wú)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(lái)抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量,相對(duì)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(wú)線電發(fā)送的信號(hào)被反射時(shí),會(huì)產(chǎn)生多份信號(hào)。每份信號(hào)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(lái)自不同空間方位的信號(hào)。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(wú)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(wú)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(lái)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(shuō)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(guò)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(lái)的一個(gè)好處是:大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信號(hào)處理方法不需要再采用復(fù)雜的非線性設(shè)計(jì)來(lái)避免上述提到的干擾,而只需要簡(jiǎn)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(huì)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(cè)量(見(jiàn)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(jiàn),天線數(shù)量的增加直接導(dǎo)致了信號(hào)處理方法的不同。引發(fā)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn):
1、信道測(cè)量和建模。
Trigger:天線數(shù)增加后信道特性會(huì)如何變化,相關(guān)性、信道衰落特性等都需要測(cè)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(huì)隨之消失,而導(dǎo)頻污染會(huì)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(lái)降低導(dǎo)頻污染等問(wèn)題變得更為重要。
3、FDD模式下,下行信道估計(jì)、信號(hào)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(hào)開(kāi)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(hào)數(shù)目有限(比如200),導(dǎo)頻開(kāi)銷過(guò)大會(huì)嚴(yán)重降低有用數(shù)據(jù)符號(hào)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(kāi)銷,導(dǎo)致低頻譜效率。
4、降低硬件開(kāi)銷的混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)和方法研究。
Trigger:傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法需要每根天線對(duì)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(kāi)銷都會(huì)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(hào)處理研究。
Trigger:該問(wèn)題仍然是由天線數(shù)增加導(dǎo)致硬件開(kāi)銷大的問(wèn)題引發(fā)的,為了降低硬件的成本,通常會(huì)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(hào)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(jiǎn)要回答下最初提到的兩個(gè)問(wèn)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(hào)的處理方法等方面均發(fā)生明顯變化,引發(fā)了新的問(wèn)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(hào)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(huì)表現(xiàn)出不同的效果,此外,MIMO中的方法會(huì)存在復(fù)雜度高的問(wèn)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(shuō)起無(wú)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(duì)無(wú)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(gòu)買了高端無(wú)線路由器,你就會(huì)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(jiǎn)單理解為將網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行多重切割,然后經(jīng)過(guò)多重天線進(jìn)行同步傳送。其帶來(lái)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(wú)線訊號(hào)接收距離。可以說(shuō),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(méi)。
但MIMO(也稱SU-MIMO,即單用戶多輸入多輸出)也有自己的缺陷——會(huì)產(chǎn)生MIMO間隙。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是目前我們熟悉的無(wú)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(wú)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(wú)法占滿無(wú)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(wèn)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(tái)無(wú)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(lái)說(shuō),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(wú)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(wú)線路由/AP和客戶端均支持MU-MIMO技術(shù),那么這臺(tái)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(guò)ZOL的實(shí)測(cè)(看詳細(xì)評(píng)測(cè)請(qǐng)點(diǎn)擊這里》》),當(dāng)三個(gè)支持MU-MIMO技術(shù)的移動(dòng)終端同時(shí)接入支持MU-MIMO技術(shù)的無(wú)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(dòng)終端同時(shí)接入僅支持MIMO技術(shù)的高端無(wú)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(shuō)是相當(dāng)?shù)拿黠@!
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