MIMO(多入多出技术)

admin 2014年12月29日 网络维护 1223次阅读 查看评论

  多输入多输出MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统是一项运用于802.11n的核心技术,用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型,能利用发射端的多个天线各自独立发送信号,同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。

  802.11n是IEEE继802.11b\a\g后全新的无线局域网技术,速度可达600Mbps。专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由马可尼于1908年提出的,他利用多天线来抑制信道衰落(fading)。

  根据收发两端天线数量,相对于普通的单输入单输出系统(Single-Input Single-Output,SISO),MIMO此类多天线技术尚包含早期所谓的“智能型天线”,亦即单输入多输出系统(Single-Input Multi-Output,SIMO)和多输入单输出系统(Multiple-Input Single-Output,MISO)。

  由于MIMO可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损(transmit power expenditure)的情况下大幅地增加系统的数据吞吐量(throughput)及发送距离,使得此技术于近几年受到许多瞩目。MIMO的核心概念为利用多根发射天线与多根接收天线所提供之空间自由度来有效提升无线通信系统之频谱效率,以提升传输速率并改善通信质量。

  多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)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,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。图1 MIMO系统的一个原理框图

  

  图1图1是MIMO系统的一个原理框图。发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去,接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。根据空时映射方法的不同,MIMO技术大致可以分为两类:空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去,同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号,从而获得分集提高的接收可靠性。举例来说,在慢瑞利衰落信道中,使用一根发射天线n 根接收天线,发送信号通过n 个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的,可以获得最大的分集增益为n 。对于发射分集技术来说,同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n 根接收天线的系统中,如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落,可以获得的最大分集增益为mn。目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时分组码(Space Time Block Code,STBC)和波束成形技术。STBC是基于发送分集的一种重要编码形式,其中最基本的是针对二天线设计的Alamouti方案,具体编码过程如图2所示。图2 Alamouti 编码过程示意

  

  图2可以发现STBC方法,其最重要的地方就是使得多根天线上面要传输的信号矢量相互正交,如图2-19中x 1和x 2的内积为0,这时接收端就可以利用发送端信号矢量的正交性恢复出发送的数据信号。使用STBC技术,能够达到满分集的效果,即在具有M根发射天线N 根接收天线的系统中采用STBC技术时最大分集增益为MN。波束成形技术是通过不同的发射天线来发送相同的数据,形成指向某些用户的赋形波束,从而有效提高天线增益。为了能够最大化指向用户的波束的信号强度,通常波束成形技术需要计算各个发射天线上发送数据的相位和功率,也称之威波束成形矢量。常见的波束成形矢量计算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根发射天线采用波束成形技术可以获得的最大发送分集增益为M。空间复用技术是将要传送的数据可以分成几个数据流,然后在不同的天线上进行传输,从而提高系统的传输速率。常用的空间复用方法是贝尔实验室提出的垂直分层空时码,即V-BLAST技术,如图3所示。图3 V-BLAST 系统发送示意

  

  图3MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统是一项运用于802.11n的核心技术。802.11n是IEEE继802.11b\a\g后全新的无线局域网技术,速度可达600Mbps。同时,专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的,它利用多天线来抑制信道衰落。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SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。2优点编辑MIMO 技术的应用,使空间成为一种可以用于提高性能的资源,并能够增加无线系统的覆盖范围。无线电发送的信号被反射时,会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出(SISO)的系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流,并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。多天线系统的应用,使得多达 min(Nt,Nr)的并行数据流可以同时传送。同时,在发送端或接收端采用多天线,可以显著克服信道的衰落,降低误码率。一般的,分集增益可以高达Nt*Nr。老接入点到老客户端 - 只发送和接收一个空间流

  

  SIMOMIMO 接入点到 MIMO 客户端 - 同时发送和接收多个空间流

  

  MIMO可以看出,此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益,后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF(zero-forcing,迫零)算法、MMSE(minimum mean square error,最小均方差)算法、ML(maximum likelihood,最大似然)算法。ML算法具有很好的译码性能,但是复杂度比较大,对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现,但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集,从而降低信道误码率。

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