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通俗易懂的MIMO技术简介

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通俗易懂的MIMO技术简介
MIMO概述
MIMO技术已经广泛应用在许多现代通信标准中，特别是消费领域。原因是相对于
SISO，MIMO技术有很明显的优势。

MIMO是多路输入多路输出的意思，指的是当一个报文在发射端被一根或者多跟天线
传输，而在接收侧被一根或者多根天线接收的情况。与之比对的是单输入单输出（SISO），
SISO指发送和接收都用1根天线，而另外有种说法叫单输入多输出（SIMO），SIMO指发
送用一根，接收有多根天线。

可能有人会对SIMO的输入和输出定义有点奇怪，其实这是因为当初在贝尔实验室最开
始定义这个名称时，工程师在发送和接收侧都是分别测试的，而不是整个无线链路测试，因
此他们把“IN”定义为发送功能，“OUT”定义为了接收，一直沿用至今。

什么是多天线技术？
在发送和接收侧的多天线引入了信号自由度的概念，这在SISO系统是没有的。这里的
自由度主要指的是空间自由度。这种空间自由度可以被定义三种，分别为“分集”，“复用”
或者这两种的组合。

分集（diversity）
简单点来说，分集意味着重复：举个例子，多根天线接收同一个信号，就代表发射分集。
由于每根天线在接收数据时也接收到了各自的噪声，但由于各个噪声的不相关性，合并多个
天线信号能够消除部分噪声，从而得质量更好的信号。打个比方，如果从两个不同的方面来
看同一个物件，那么得到的评价也会更可靠。需要说明的是，分集并不一定要多个接收天线
才能实现，后面就会讲到，分集也可以使用多个发送天线通过空时编码（STC）技术来实现。

空间复用（Spatial Multiplexing）
第二个主要的MIMO技术为空间复用，空间复用可以在不增加带宽和发送功率的情况
下通过成对的MIMO发送、接收来增加系统吞吐量。空间复用增加的吞吐量与发送或接收
天线数目（较少的那个）成线性关系。空间复用中，每个传输天线发送不同的bit流信息，
每个接收天线收到来自所有传输天线的线性综合信息。这样，整个无线信道构成一个矩阵，
由发射和接收天线阵列组成，反射和散射等信道传输因素也考虑在里面。而当这个MIMO
系统在一个散射特别强的环境中运行时，信道矩阵就可逆，（这是因为丰富的散射让矩阵行
列不相关），这样接收译码出来的信号就有多路增益。




4321*
44342414343323134232221241312111YYYY4321xxxxhhhh
hhhh

hhhh

hhhh

总结：分集可以获得信号增益，而空间复用能够提升系统吞吐量。需要说明的是，MIMO
系统中需要权衡分集和复用所能带来的增益，一个典型的MIMO系统，根据无线信道条件
可以自动的找到分集和复用曲线的均衡点。

MIMO技术
现代MIMO技术中，使用较多和较为成熟的就是波束成形、空时编码以及空间复用技
术。
特征波束成形（Eigen-Beamforming）
在传输和接收端都可以使用特征波束成形（Eigen-Beamforming）。通常情况下，我们使
用高增益的定向天线，可以增强系统的增益。但特征波束成形技术可以获得相同的增益，同
时不需要考虑天线的方向和周边环境散射等因素。提到特征波束成形，很多人都想到了军用
的相控阵雷达系统，相控阵系统将许多天线组成一个天线簇，然后通过控制天线簇的方位，
针对某个方向形成发送或者接收的“波束”。相控阵看上去很高大上，因为它用来很多非常
昂贵的军事系统中，但实际上它就是实现了现代MIMO技术中较为简单的波束成形的功能。
相控阵系统通过有限的相位偏移和合并多个模拟域信号来完成波束成形，存在几个不足，首
先是它的性能增益随着带宽的增加而减少，另外就是它只能实现视距条件下的波束成形，非
视距情况下的散射和反射都会导致信号急剧衰减。而MIMO特征波束成形是从数字域对所
有天线的信号进程处理，使用了最为成熟的数字信号处理技术，甚至MIMO特征波束成形
可以单独处理每个OFDM窄带子载波。MIMO系统的波束成形就是特征波束成形，它不是
简单局限在一个三维空间内塑造一个波束，也不会被散射和多径反射所干扰。当一个特征波
束成形器从有效天线方向图上面接收到的一个非视距的、带有多种反射的信号时，特征波束
成型器就根据收到信号进行处理，从各路反射上获得多路增益。

空时编码技术（Space-Time Coding）
在多天线的发射端采用空时编码技术，可以让单接收天线获得和多接收天线相同的增
益。空时编码技术将原本在单天线上传输的信号，通过信号处理手段得到数学变化后的信号，
再让额外的天线来发送这些信号，这样可以提高接收端从噪声中提取有用信号的能力。空时
编码是波束成形或者分集接收的很好对端匹配。举个例子，车载无线设备一般都有四根天线，
而手持型设备一般只有1到2根天线。如果手持设备通过单天线传输，车载设备可以通过接
收分集或者波束成形来增加接收增益。反过来，空时编码可以让车载设备通过四根天线发射
数据，手持型设备单天线接收空时编码后的数据也能有产生增益。这样使得链路更加对称，
同时也保证了双向通信。

空间复用技术（Spatial Multiplexing）
空间复用技术，是比较难理解的MIMO技术。这种MIMO技术在不同的天线，同一的
频点上传输多个独立的数据流。接收端必须使用不少于数据流数目的接收天线才能译码正
确，这样在频点资源一定的情况下能提高整个系统的吞吐量。4x4的MIMO系统，最多能
同时支持4个数据流，这样他的吞吐量是同样带宽的SISO系统的4倍。假设我们有四个数
据流需要传输（A,B,C和D），这些数据流在空间叠加到达接收端后变成（wA+xB+yC+zD），
这里x，y，w和z分别代表每根天线上由于多径导致的信道变化。接收端可以通过线性代
数的方法，解一个四元四次方程组，从而恢复A，B，C和D四个原始值。MIMO空间复用
技术有个优点，那就是在不降低链路稳定性的情况下提高频谱利用率，就入同使用了高阶星
座图解调一样。例如，相同的信道下，假设MIMO系统中2个数据流配合使用16QAM和
相当文档的FEC编码率就可以达到4 bits/sec/Hz，SISO系统就需要64QAM外加不太稳定的
FEC码率才能达到，这就会极大的限制他的使用范围并要求提高更高的传输功率。

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MIMO 技术概述

MIMO 技术概述

MIMO信道容量
MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术最早由Marconi 于1908 年提出，其初衷在于利用多天线来抑制信道衰落。

根据收发两端天线的数量，相对于SISO（Single Input Single Output）系统，MIMO 系统还可以包括SIMO（Single Input Multiple Output）系统和MISO （Multiple Input Single Output）系统。

这个技术可以被看做是一种多通道数据传输技术。

当然，MIMO 技术也可以被认为是一种新型的智能天线技术，因为无论是多个发射天线还是多个接收天线，其实都是给信号传输提供了一种新的自由度，多个发送/接收天线可以使用不同的发射功率，可以使用不同的天线极化方向，配置不同的天线参数，这为原有的“点对点”单通道通信开拓了新空间。

但研究MIMO 信道必须明确两个前提：首先MIMO 系统是一种功率受限系统，多天线不等于高功率，随着天线的个数的增加而提高功率是没有意义也是不允许的；其次MIMO 信道在空间构成的是“碟形”空间射频链路，这种“碟形”不是仅仅带来了空间多信道的优点，同时多信道也面临接收端接收来自各个天线上信号的一个识别问题。

mimo技术工作原理

mimo技术工作原理

mimo技术工作原理MIMO技术工作原理MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术是一种无线通信技术，通过在发送和接收端使用多个天线，可以显著提高无线通信系统的性能。

本文将详细介绍MIMO技术的工作原理及其优势。

一、MIMO技术的基本原理MIMO技术利用了多个天线之间的独立性，通过在发送端同时发送多个独立的数据流，并在接收端同时接收这些数据流，从而提高了系统的吞吐量和可靠性。

MIMO系统的天线数目被称为传输链路的MIMO 阶数，通常用MxN来表示，其中M是发送端的天线数目，N是接收端的天线数目。

在MIMO系统中，发送端通过线性组合来发送多个数据流。

例如，对于一个2x2的MIMO系统，发送端可以使用两个天线分别发送两个数据流，并通过线性组合将它们发送出去。

接收端的天线收到经过信道传输后的信号，并通过信道估计和解调来恢复出发送端发送的数据。

二、空间复用技术MIMO技术中的一个重要概念是空间复用技术。

通过在发送端使用多个天线，MIMO系统可以将不同的数据流同时发送到空间中的不同位置，从而实现空间复用。

接收端的多个天线可以分别接收到这些数据流，并通过信道估计和解调来恢复出原始的数据。

空间复用技术可以显著提高系统的吞吐量和可靠性。

通过将多个数据流同时发送，MIMO系统可以充分利用空间资源，增加数据的传输速率。

此外，由于多个数据流之间是独立的，即使某些数据流受到干扰或衰落，其他数据流仍然可以正常传输，从而提高了系统的可靠性。

三、空时编码技术除了空间复用技术外，MIMO技术还可以利用空时编码技术来提高系统的性能。

空时编码技术通过在发送端对不同的数据流进行编码，并利用多个天线分别发送编码后的数据流，从而实现数据的冗余传输。

在接收端，利用接收到的多个数据流，可以通过信道估计和解码来恢复出原始的数据。

由于编码后的数据流之间存在冗余，即使某些数据流受到干扰或衰落，接收端仍然可以通过其他数据流来恢复出原始的数据，从而提高了系统的可靠性。

MIMO多天线技术

MIMO多天线技术

归一化约束：每一根天线的接收功率均等于总的 发送功率
h
j 1
MT
2
ij
M T , i 1, 2,
MR
MIMO系统模型 接收端的噪声：各分量为独立的零均值高斯变量 ，具有独立的和相等方差的实部和虚部。 噪声协方差矩阵
Rnn E{nnH }
若n的分量间不相关， Rnn 2 I M R 每根接收天线具有相等的噪声功率2。 每根接收天线输出端的信号功率为PT，故接收功 率信噪比为 P
Pe c c SNRr
M
分集增益和编码增益
A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications IEEE JOURNAL ON SELECT AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 16, NO. 8, OCTOBER 1998
MIMO的奠基工作是在20世纪90年代由贝尔实验室 和AT&T的学者Telatar,Foshinia,Tarokh,Alamouti 等人完成。
概述
MIMO的核心思想是将单个数据符号通过一定映 射（编码、调制）变换成并发的多个数据符号流 发射出去，在接收端通过先进的信号处理技术和 反变换再恢复出原始数据符号流。
M
SNRr d 1 Pe N e i 1 Ne SNRr 1 2 1 SNRr d min / 4M 4M
M
2 min

分集阶数和分集增益
例：独立同分布瑞利衰落及BPSK调制，M 阶分集的误码率上限？
分集增益和编码增益
无线通信中，经常同时使 用纠错编码和分集，高信 噪比时的误符号率近似为 c为常数，与使用调制方式 有关；c表示编码增益，M 表示分集增益 编码技术只能使误符号率 曲线整体左移，而不会改 变曲线的斜率； 分集技术可改变曲线的斜 率，使得误符号率曲线随 着M的增加下降更快。
MIMO无线通信技术研究

MIMO无线通信技术研究

MIMO无线通信技术研究MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）无线通信技术是一种利用多个天线同时发送和接收数据的技术，通过这种方法，可以增加无线通信系统的数据传输速率和可靠性。

本文将介绍MIMO无线通信技术的相关研究。

MIMO技术的原理在于通过增加发送和接收天线的数量，利用空间复用和多天线分集来提高数据传输速率和可靠性。

在MIMO系统中，多个天线同时发送和接收数据，并通过多个路径传播，从而增加了数据传输速率和可靠性。

MIMO技术在无线通信领域得到了广泛应用，包括蜂窝网络、无线局域网、卫星通信等。

下面介绍一些MIMO技术的应用情况：在蜂窝网络中，MIMO技术被用来提高数据传输速率和可靠性。

在基站和移动台之间，通过增加天线的数量，可以实现多路同时传输和接收数据，从而提高数据传输速率。

MIMO技术也可以增强信号强度和覆盖范围，从而提高网络的可靠性。

在无线局域网中，MIMO技术也被用来提高数据传输速率和可靠性。

通过在接入点和客户端之间增加天线的数量，可以实现多路同时传输和接收数据，从而提高数据传输速率。

MIMO技术也可以增加信号覆盖范围，从而提高网络的可靠性。

在卫星通信中，由于卫星的信号覆盖范围广，信号传输距离远，因此卫星通信系统也常常采用MIMO技术。

通过在卫星和地球站之间增加天线的数量，可以实现多路同时传输和接收数据，从而提高数据传输速率。

MIMO技术也可以增加信号强度和覆盖范围，从而提高网络的可靠性。

随着科技的不断发展，MIMO技术在未来仍具有广泛的应用前景。

在未来5G通信和6G通信等无线通信系统中，MIMO技术将更加重要。

在未来，对于MIMO技术的研究和应用将会涉及更多领域和技术，例如人工智能、物联网、高频通信等。

在这些领域和技术中，MIMO技术将能够发挥更大的作用，为未来的无线通信系统提供更高的性能和更高效的传输效率。

MIMO无线通信技术是一种具有重大意义的技术，它可以提高无线通信系统的数据传输速率和可靠性。