MIMO及其对无线局域网产品生产测试的影响

MIMO原理

传统的无线系统采用单一输入与单一输出（SISO）的设置方法，即在无线连接的两个终端都使用一个发射机和一个接收机。数字信号处理领域的最新研究成果为我们带来了多天线技术，它能显著地提高数据吞吐量和改善无线连接的稳定性。这些多天线技术就是我们称为MIMO（多路输入多路输出）的技术，它在无线连接的各个终端都使用多个发射机和接收机，在一定的信道条件下，能获得比SISO高出几倍的吞吐量。

MIMO技术仅指出了特定装置的天线数量。MIMO定义中的“输入”和“输出”二词分别表示一个无线信号在空间的发射和接收。而且，这能独立地应用到上行和下行两种链路中。

从这个总的定义出发我们可以推理出更多特殊的多天线应用实例，如：多重输入单一输出(MISO)，单一输入多重输出（SIMO），以及多路输入多路输出（MIMO）。这些实际应用可用图3表示。

SIMO系统由于配备多个接收天线能形成接收分集，而MISO系统因为有多个发射天线，所以能形成发射分集。MIMO系统则综合了SIMO和MISO两种应用的特点，它能同时利用发射分集和接收分集特性来改善无线连接的稳定性，同时使用多个可辨别的空间信道来提高无线连接的吞吐量。本文将集中讨论MIMO系统。

图3：MISO、SIMO和MIMO构架

MIMO技术根据信道条件可分为两种工作模式，即空间复用模式（SM，Spatial Multiplexing）和空-时分组编码（STBC，Space-Time Block Coding）模式。MIMO装置会根据信道条件在SM和STBC两种模式中动态切换以实现最佳性能。

1) 空间复用模式

空间复用模式（SM）的基本原理是用每根天线发送相互独立的数据。从各天线发送的数据会在接收机端经过适当的信号处理后被分离，这种处理通常会包含线性去相关检测和非线性干扰解除两个操作。

我们平时提到MIMO时通常是在说SM工作模式，因为这种模式具有显著提高无线连接吞吐量的能力。然而，SM工作模式的有效性需依赖一定的信道条件和信噪比(SNR)。多径信道通常要求较高的非相关性。与SISO传输方式相比，对于相同的调制和编码方法，多径信道信噪比（SNR）要求也更高。

IEEE 802.11标准定义了两个SM技术：直接映射和空间扩展。使用直接映射技术时，每个MIMO数据流都通过一个发送链路传送，数据流与传送链路之间是1对1的映射关系。使用空间扩展技术时，MIMO数据流先按信道评估情况用一个矩阵复用，然后再通过不同的发送信道予以传输。图4直观地表示了直接映射技术和空间扩展技术的特点。

图4：直接映射和空间扩展