深入剖析的MIMO系统

過去幾年，無線服務重要性日益提升，對更高網路容量和更高性能的需求不斷成長。幾種選擇方式如更高頻寬、最佳化的調變方式甚至程式碼多工系統實際上提高頻譜效率的潛力有限。多輸入多輸出(MIMO)系統透過採用天線陣列，利用空間多工技術來提高所使用頻寬的效率。过去几年，无线服务重要性日益提升，对更高网路容量和更高性能的需求不断成长。几种选择方式如更高频宽，最佳化的调变方式甚至程式码多工系统实际上提高频谱效率的潜力有限。多输入多输出（MIMO）的系统透过采用天线阵列，利用空间多工技术来提高所使用频宽的效率。

MIMO系統利用來自一個訊息通道的多個輸入和多個輸出。這些系統是用空間分集和空間多工定義的。空間分集分為Rx和Tx分集。訊號的副本從另外一個天線發送或在多個天線處接收。採用空間多工，系統能在一個頻率上同時傳輸一個以上的空間數據串流。的MIMO系统利用来自一个讯息通道的多个输入和多个输出。这些系统是用空间分集和空间多工定义的。空间分集分为接收分集和德克萨斯州。讯号的副本从另外一个天线发送或在多个天线处接收。采用空间多工，系统能在一个频率上同时传输一个以上的空间数据串流。

MIMO是在802.11n、802.16-2004和802.16e以及3GPP中制訂的。包含MIMO的更新標準是IEEE802.20和802.22。本文將概述MIMO系統的原理以及這些系統的標準化，以及WCDMA、 OFDM和天線陣列的基礎知識。 MIMO技术是在802.11n标准,802.16 - 2004和802.16e标准以及符合3GPP中制订的。包含MIMO技术的更新标准是IEEE802.20和802.22。本文将概述的MIMO系统的原理以及这些系统的标准化，以及在WCDMA，OFDM技术和天线阵列的基础知识。

MIMO訊息通道 MIMO的讯息通道

非MIMO系統用幾個頻率透過多個訊息通道鏈接。MIMO訊息通道具有多個鏈路，工作在相同的頻率。該技術的挑戰是所有訊號路徑的分離和均衡。訊息通道模型包括具有直接和間接訊息通道分量的H矩陣。直接分量(例如h ₁₁ )描述訊息通道平坦度，而間接分量(例如h ₂₁ )代表訊息通道隔離。發送訊號用s代表，接收訊號用r代表。時間不變的窄頻訊息通道定義為：非的MIMO系统用几个频率透过多个讯息通道链接。的MIMO讯息通道具有多个链路，工作在相同的频率。该技术的挑战是所有讯号路径的分离和均衡。讯息通道模型包括具有直接和间接讯息通道分量的魔法矩阵。直接分量（例如ħ _11）描述讯息通道平坦度，而间接分量（例如ħ _21）代表讯息通道隔离。发送讯号用仛代表，接收讯号用ṛ代表。时间不变的窄频讯息通道定义为：

瞭解H對於解碼來說是必要的，並透過一個已知的訓練序列估計。如果接收器將訊息通道近似值發送到發送器，則可以用來進行預編碼。預編碼能改善MIMO性能。了解ħ对于解码来说是必要的，并透过一个已知的训练序列估计。如果接收器将讯息通道近似值发送到发送器，则可以用来进行预编码。预编码能改善MIMO的性能。

香農理論可計算理論訊息通道容量。香农理论可计算理论讯息通道容量。

它包括了傳輸頻寬f _g和訊息噪音比。大多數訊息通道容量的改善都是基於頻寬擴展或者其他調變。這些因素並不能很大地提高頻譜效率。MIMO系統的香農容量又決定於天線的數量。M是最小的M _T (發送天線的數量)或M _R (接收天線的數量)，表示空間資訊串流的數量。例如，一個2x3的系統只能支援兩個空間數據串流，這個結果同樣適用於2x4的系統。它包括了传输频宽_号 ，和讯息噪音比。大多数讯息通道容量的改善都是基于频宽扩展或者其他调变。这些因素并不能很大地提高频谱效率。MIMO技术系统的香农容量又决定于天线的数量。M是最小的_M的T（发送天线的数量）或_磁电阻效应（接收天线的数量），表示空间资讯串流的数量。例如，一个2x3的系统只能支援两个空间数据串流，这个结果同样适用于2x4的系统。

對於MIMO，以下公式提供了容量的計算方法：对于MIMO技术，以下公式提供了容量的计算方法：

MIMO容量隨著天線數量呈線性增加。不對稱的天線星座分佈(例如1x2或2x1)被稱為接收或發送分集。在這些情況下容量(C _Tx/Rx )隨天線的數量呈對數成長。 MIMO的容量随着天线数量呈线性增加。不对称的天线星座分布（例如欧盘或2x1）被称为接收或发送分集。在这些情况下容量（丙_{发射/接收} ）随天线的数量呈对数成长。

空間多工 空间多工

透過一個以上的天線發送多組數據串流稱為空間多工。有兩種類型必須考慮。透过一个以上的天线发送多组数据串流称为空间多工。有两种类型必须考虑。

第一種類型為V-BLAST(Vertical Bell實驗室分層空間-時間)，它發送空間未編碼的數據串流，不需要考慮在接收器上對訊號進行均衡處理。第一种类型为V - BLAST的（垂直贝尔实验室分层空间 - 时间），它发送空间未编码的数据串流，不需要考虑在接收器上对讯号进行均衡处理。

第二種類型是透過空間-時間編碼實現的。與V-BLAST相較，空間時間編碼提供正交編碼方式，因此是獨立的數據串流。V-BLAST方法不能分離數據串流，因此會出現多個數據串流的干擾(MSI)。這會使傳輸變得不穩定，而前向糾錯編碼並非總是能解決這個問題。空間-時間編碼訊號的檢測基於一種簡單的線性處理，並獲得合理的結果。空間多工的優勢是，容量的增加與發送天線的數量線性相關。第二种类型是透过空间 - 时间编码实现的。与V - BLAST的相较，空间时间编码提供正交编码方式，因此是独立的数据串流。V - BLAST的方法不能分离数据串流，因此会出现多个数据串流的干扰（MSI）的。这会使传输变得不稳定，而前向纠错编码并非总是能解决这个问题。空间 - 时间编码讯号的检测基于一种简单的线性处理，并获得合理的结果。空间多工的优势是，容量的增加与发送天线的数量线性相关。

空間分集 空间分集

空間多工可提供更高容量，但訊號品質並無改善。空間多工不僅沒有提高訊號品質，反而使訊號品質降低了。空間分集能改善訊號品質，並在接收端達到更高的訊息噪音比。特別是在廣大的網路區域，空間多工技術達到了自身的極限。網路環境越大，訊號強度就必須越高。空间多工可提供更高容量，但讯号品质并无改善。空间多工不仅没有提高讯号品质，反而使讯号品质降低了。空间分集能改善讯号品质，并在接收端达到更高的讯息噪音比。特别是在广大的网路区域，空间多工技术达到了自身的极限。网路环境越大，讯号强度就必须越高。

分集原理依賴於結構化冗餘的傳輸。這種冗餘可以在任何時間，從任何天線、透過任何頻率，或以任何極化方式傳輸。而目前在MIMO技術中並沒有考慮後一種方法。因此必須考慮兩種空間分集：1.分集原理依赖于结构化冗余的传输。这种冗余可以在任何时间，从任何天线，透过任何频率，或以任何极化方式传输。而目前在MIMO的技术中并没有考虑后一种方法。因此必须考虑两种空间分集：1。 Tx分集，一個訊號的副本從另外一個天線發送(例如2x1)；2.德克萨斯州分集，一个讯号的副本从另外一个天线发送（例如2x1）; 2。 Rx分集，接收到的訊號進行多次評估(例如2x1)。第一種可以與單聲道和立體聲訊號相較。如果是立體聲訊號，人耳可以感受到更好的聲音效果。第二種分集類似於兩隻耳朵，所聽到的效果比單隻耳朵更好。接收分集，接收到的讯号进行多次评估（例如2x1）。第一种可以与单声道和立体声讯号相较。如果是立体声讯号，人耳可以感受到更好的声音效果。第二种分集类似于两只耳朵，所听到的效果比单只耳朵更好。

圖1：MIMO物理信道的空間-時間編解碼 图1：MIMO的物理信道的空间-时间编解码

為利用Tx分集，可以採用所謂的Alamouti空間-時間編碼(見圖3)。它可以獲得完全的分集，只使用一個接收天線。透過採用比發送天線更多的接收天線和一種合適的組合演算法，可以使用Rx分集。交換組合或最大定量組合是兩個演算法的例子。如果訊息通道矩陣已知，這些演算法與分集類型無關。用於空間分集的接收器演算法見圖2。透過近場空間多工和遠場空間分集，可以實現無線通訊系統的最佳性能和覆蓋範圍。为利用德克萨斯州分集，可以采用所谓的阿拉穆蒂空间-时间编码（见图3）。它可以获得完全的分集，只使用一个接收天线。透过采用比发送天线更多的接收天线和一种合适的组合演算法，可以使用接收分集。交换组合或最大定量组合是两个演算法的例子。如果讯息通道矩阵已知，这些演算法与分集类型无关。用于空间分集的接收器演算法见图2。透过近场空间多工和远场空间分集，可以实现无线通讯系统的最佳性能和覆盖范围。

圖2：圖2用於空間分集的接收器算法，A和B為相同的信號 图2：图2用于空间分集的接收器算法，一个和乙为相同的信号

空間-時間編碼空间 - 时间编码

空間-時間編碼改善了性能，並使空間分集可以使用。訊號的副本不僅從另外一個天線發送，而且在另外的時間發送。這種延遲發送稱為延遲分集。空間-時間編碼結合了空間和時間訊號副本，如圖3所示。空间 - 时间编码改善了性能，并使空间分集可以使用。讯号的副本不仅从另外一个天线发送，而且在另外的时间发送。这种延迟发送称为延迟分集。空间 - 时间编码结合了空间和时间讯号副本，如图3所示。

圖3：用於2個Tx天線空間-時間編碼的Alamouti空間-時間塊編碼 图3：用于2个德克萨斯州天线空间-时间编码的阿拉穆蒂空间-时间块编码

空間-時間編碼可以用兩種不同的方法設計：1.空间 - 时间编码可以用两种不同的方法设计：1。 塊狀時空編碼(2個發送天線=Alamouti編碼，見圖3)；2.块状时空编码（2个发送天线=阿拉穆蒂编码，见图3）; 2。 終態狀態機(FSM)產生柵格時空編碼(STTC)。第一種編碼是獲得空間分集的最簡單方法，已獲得廣泛應用。目前第二種編碼更複雜且昂貴。對於超過兩個天線的情況，圖4列出了幾種偽Alamouti編碼。终态状态机（密克罗尼西亚）产生栅格时空编码（空时格码）。第一种编码是获得空间分集的最简单方法，已获得广泛应用。目前第二种编码更复杂且昂贵。对于超过两个天线的情况，图4列出了几种伪阿拉穆蒂编码。

圖4中的編碼指數首先與天線的數量有關，其次與空間數據串流的數量相關。图4中的编码指数首先与天线的数量有关，其次与空间数据串流的数量相关。

圖4：用於超過兩個發送天線的復合Alamouti編碼 图4：用于超过两个发送天线的复合阿拉穆蒂编码

圖5：用於3個Tx天線的空間-時間塊編碼 图5：德克萨斯州用于3个天线的空间-时间块编码

Vahid Tarokh開發了一種最佳化的塊狀時空編碼，用於將碼率增加到3/4。這種準正交STBC(見圖6)很有效，但是允許一定的符號間干擾(ISI)。瓦希德Tarokh开发了一种最佳化的块状时空编码，用于将码率增加到3 / 4。这种准正交STBC的（见图6）很有效，但是允许一定的符号间干扰（ISI）的。

圖6：用於3個Tx天線的優化的空間-時間塊編碼 图6：用于3个德克萨斯州天线的优化的空间-时间块编码

空間數據串流的數量不能超過現有天線數量。注意空間分集和空間多工間的折衷對於可靠和強大的MIMO系統很重要。空间数据串流的数量不能超过现有天线数量。注意空间分集和空间多工间的折衷对于可靠和强大的MIMO的系统很重要。

在某些情況會出現巨集分集的概念。這種分集可以用在MIMO系統中，但是與這些系統無關。如果終端設備同時連接到多個基地台，巨集分集用於基地台切換處理。用戶終端從幾個方向接收到相同的訊號，並將所有的訊號組合起來獲得更高的SNR。在某些情况会出现巨集分集的概念。这种分集可以用在MIMO的系统中，但是与这些系统无关。如果终端设备同时连接到多个基地台，巨集分集用于基地台切换处理。用户终端从几个方向接收到相同的讯号，并将所有的讯号组合起来获得更高的信噪比。

天線系統 天线系统

天線技術對增加網路容量很關鍵。這種技術始於分扇區天線。這些天線覆蓋60或120度，以蜂巢式執行。在GSM中，採用120度天線容量可以擴大到3倍。自適應天線陣列採用窄波束加強空間多工。智慧天線屬於自適應天線陣列，但是在智慧到達方向(DoA)估計上不同。智慧天線獨立於任何的支援的反饋，對用戶終端是透明的，可以形成特定用戶波束。可選的反饋可降低陣列系統的複雜性。MIMO系統通常需要反饋，且對用戶不是透明的。波束成形是用於製作天線陣列輻射模式的一種方法。它可以用在所有的天線陣列以及MIMO系統。天线技术对增加网路容量很关键。这种技术始于分扇区天线。这些天线覆盖60或120度，以蜂巢式执行。在手机中，采用120度天线容量可以扩大到3倍。自适应天线阵列采用窄波束加强空间多工。智慧天线属于自适应天线阵列，但是在智慧到达方向（审计署）估计上不同。智慧天线独立于任何的支援的反馈，对用户终端是透明的，可以形成特定用户波束。可选的反馈可降低阵列系统的复杂性。MIMO的系统通常需要反馈，且对用户不是透明的。波束成形是用于制作天线阵列辐射模式的一种方法。它可以用在所有的天线阵列以及MIMO技术系统。

圖7：交換波束形成和自適應波束形成 图7：交换波束形成和自适应波束形成

智慧天線分成以下兩種(圖7)：1.智慧天线分成以下两种（图7）：1。 具有有限固定預定義模式的相位陣列系統(交換波束形成)；2.具有有限固定预定义模式的相位阵列系统（交换波束形成）; 2。 具有無數個根據情況即時調整模式的自適應陣列系統(自適應波束形成，AAS)。交換波束形成器咚鉊oA，並接通固定的波束。如果用戶行動時跨越這些固定的波束，訊號抖動會導致中斷。換言之，用戶只能沿著波束中心才能獲得最佳的訊號強度。自適應波束成形器解決了這個問題，會根據行動終端即時調整波束。這種系統的複雜性和成本高於第一種類型。具有无数个根据情况即时调整模式的自适应阵列系统（自适应波束形成，原子吸收）。交换波束形成器运算审计署，并接通固定的波束。如果用户行动时跨越这些固定的波束，讯号抖动会导致中断。换言之，用户只能沿着波束中心才能获得最佳的讯号强度。自适应波束成形器解决了这个问题，会根据行动终端即时调整波束。这种系统的复杂性和成本高于第一种类型。

MIMO和OFDM MIMO技术和OFDM技术

MIMO可以應用於所有的無線通訊技術。然而，MIMO和OFDM(正交頻分多工)的結合具有以下優點：1. MIMO技术可以应用于所有的无线通讯技术。然而，MIMO技术和OFDM技术（正交频分多工）的结合具有以下优点：1。 OFDM適合於無線系統中的多徑傳播。OFDM訊框的長度決定於保護間隙(GI)。這個保護間隙限制最大路徑延遲，以及與延遲相關的網路面積。MIMO也使用多徑傳播。2. OFDM技术适合于无线系统中的多径传播。OFDM的讯框的长度决定于保护间隙（GI）的。这个保护间隙限制最大路径延迟，以及与延迟相关的网路面积。MIMO技术也使用多径传播。2。 OFDM是一種寬頻系統，具有很多窄頻子頻段。數學MIMO訊息通道模型基於窄頻非頻率選擇性訊息通道。OFDM也支援後者。寬頻系統的衰落效應通常只發生在特定頻率，很少子頻帶干擾。數據擴展到所有頻段，因此只有很少的數據位元丟失，這些丟失的數據位元可透過前向糾錯(FEC)進行修補。OFDM提供穩固的多徑系統，適用於MIMO。OFDM也提供高頻譜效率，以及幾個子頻段上塊狀時空編碼在時域擴展時的一定自由度。這就可以基於前面描述的原理得到一個更穩固的系統。 OFDM技术是一种宽频系统，具有很多窄频子频段。数学MIMO的讯息通道模型基于窄频非频率选择性讯息通道。OFDM技术也支援后者。宽频系统的衰落效应通常只发生在特定频率，很少子频带干扰。数据扩展到所有频段，因此只有很少的数据位元丢失，这些丢失的数据位元可透过前向纠错（FEC）的进行修补。OFDM技术提供稳固的多径系统，适用于MIMO技术。OFDM技术也提供高频谱效率，以及几个子频段上块状时空编码在时域扩展时的一定自由度。这就可以基于前面描述的原理得到一个更稳固的系统。

MIMO標準 MIMO技术标准

表1提供了所有目前的MIMO標準及技術概述。表1提供了所有目前的MIMO技术标准及技术概述。

表1：當前所有的MIMO標準以及它們相應的技術 表1：当前所有的MIMO技术标准以及它们相应的技术

供稿：羅德史瓦茲公司