浅谈MIMO技术汇总

浅谈MIMO技术

一、MIMO简介

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)即是多输入多输出技术，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量（误比特率或数据速率）。

MIMO系统

根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括MISO(Multiple-Input Single-Output)系统和SIMO(Single-Input Multiple-Output)系统。

MISO系统SIMO系统1．MIMO的发展历史

实际上多进多出（MIMO）技术由来已久，早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。在70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，

但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是由AT&TBell实验室学者完成的。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法——对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码；1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速发展。至2010年年底，IEEE数据库收录该领域的研究论文已达上万篇，从MIMO无线通信技术的理论研究到实验验证，再到商用化的各个方面。目前，国际上很多科研院校与商业机构都争相对MIMO通信技术进行深入研究。

2．MIMO 技术特点

随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。MIMO技术采用空时处理技术进行信号处理，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。

多输入多输出（MIMO）无线通信技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO 系统。实验室的研究证明，采用MIMO

技术在室内传播环境下的频谱效率可以达到20 ~ 40bit/s/Hz, 而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1~5 bit/s/Hz, 在点到点的固定微波系统中也只有10 ~ 12 bit/s/Hz。MIMO技术作为提高数据传输速率的重要手段受到人们越来越多的关注。

二、MIMO 技术的基本原理

MIMO技术是在收发两端使用多个天线，每个收发天线之间形成一个MIMO子信道，假定发送端存在n R个发送天线，接收端有n T个接收天线，系统框图如图所示：

在系统的每一个符号周期内，发送信号可以用一个n T×1 的列向量x =[x1 x2⋅⋅⋅x i⋅⋅⋅x nT ]T表示，其中x i表示在第i 个天线上发送的数据。通常我们假设信道是高斯分布的，因此，根据信息论，最优的信号分布也应该是高斯的。所以x是一个均值为零、独立同分布的高斯变量。发送信号的协方差可以表示为

发送信号的功率可以表示为

MIMO系统的信道用一个n R×n T的复数矩阵H描述，其中h ij表示从第i个发送天线到第j个接收天线的信道衰落系数。

当天线相互之间足够远的距离时，各发送天线之间到各接收天线之间的信号传输就可以看成是相互独立的，矩阵H的秩较大，理想情况下能达到满秩。如果收发天线相互之间较近，各发送天线到各接收天线之间的信号传输可以看成是相关的，矩阵H的秩较小。因此MIMO 信道容量和矩阵H的大小关系密切。

接收信号和噪声可以分别用两个n R×1的列向量y和n表示。n均值为0，功率为σ2。通过这样一个线性模型，接收信号可以表示为

接收信号的功率可表示为

对于分别配有n T根发射天线和n R根接收天线的MIMO信道，发

射端在不知道传输信道的状态信息条件下，如果信道的幅度固定，则信道容量可以表示为

式中的min为n T和n R的最小数，ς为信噪比，矩阵Q的定义如下：

（1）全“1”信道矩阵的MIMO系统

如果接收端采用相干检测合并技术，那么经过处理后的每根天线上的信号应同频同相，这时可以认为来自n T发射天线上的信号都相同，s i = s, i = 1, 2, …, n T，第j 根天线接收到的信号可表示为r i = n T s i = n T s, j =1, 2, …, n R，且该天线的功率可表示为

则在每根接收天线上取得的等效信噪比为n Tς，因此在接收端取得的总信噪比为n T n Rς。此时的多天线系统等效为某种单天线系统，但这种单天线系统相对于原来纯粹的单天线系统，取得了n T n R的分集增益，信道容量可以表示为

如果接收端采用非相干检测合并技术，由于经过处理后的每根天线上的信号不尽相同，在每根接收天线上取得的信噪比仍然为

接收端取得的总信噪比为n Rς，此时等效的单天线系统与原来纯粹

的单天线系统相比，获得了n R倍的分集增益，信道容量表示为

（2）正交传输信道的MIMO系统

对于正交传输的MIMO系统，即多根天线构成的并行子信道相互正交，单个子信道之间不存在相互干扰。为方便起见，假定收发两端的天线数相等（n R＝n T＝L），信道矩阵可以表示为：

I L为L×L的单位矩阵，系统是为了满足功率归一化的要求而引入的，信道容量为：

与原来的单天线系统相比，信道容量获得了L倍的增益，这是由于各个天线的子信道之间的耦合的结果。

如果信道系数的幅度随机变化，MIMO信道的容量为一随机变量，它的平均值可以表示为

式中，r 为信道矩阵H得秩，r = min(n R , n T )。

下图是MIMO信道容量累计概率分布曲线图，它反映了信道容量累计分布与发射和接收天线数得变换关系。仿真假定信道系数服从瑞利分布，发送天线数和接收天线数分别取1×1、3×3、5×5、7×7、9×9，信噪比仍然取10dB，迭代次数均为10000，从图中可以看到随着