MIMO原理

時間：2022-02-18 17:33:01 | 來源：信息時代

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多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-InputMultiple-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(zhì)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(shù)。

圖1MIMO系統(tǒng)的一個原理框圖

圖1

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(fù)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(shù)大致可以分為兩類：空間分集和空間復(fù)用?？臻g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(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(shù)主要有空時分組碼（SpaceTimeBlockCode，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)計的Alamouti方案，具體編碼過程如圖2所示。

圖2　Alamouti編碼過程示意

圖2

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x1和x2的內(nèi)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(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。使用STBC技術(shù)，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(shù)時最大分集增益為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度，通常波束成形技術(shù)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(shù)可以獲得的最大發(fā)送分集增益為M?？臻g復(fù)用技術(shù)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(fù)用方法是貝爾實驗室提出的垂直分層空時碼，即V-BLAST技術(shù)，如圖3所示。

圖3　V-BLAST系統(tǒng)發(fā)送示意

圖3

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

802.11n是IEEE繼802.11bag后全新的無線局域網(wǎng)技術(shù)，速度可達600Mbps。同時，專有MIMO技術(shù)可改進已有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-InputSingle-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-InputSingle-Output)系統(tǒng)。