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如何理解MIMO天線，到現(xiàn)在我都有點模糊

我知道m(xù)imo是一種多輸入多輸出的天線，集合了多款天線的功能，能夠當幾幅天線使用，但是我還是不知道應該怎么去很簡單的理解，它的意思是什么，是可以同時接受多個頻段的信號，和同時發(fā)射多個信號？求詳解��！

，復制黏貼，我暈，看不懂��！

提問者: yyyyyyoyou 提問時間: 2011-10-19

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問題答案 ( 1 )

MIMO技術的發(fā)展

Development of MIMO Technology

                                                           作者:羅濤,李少謙

摘要:未來無線通信系統(tǒng)需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的服務質(zhì)量，因此需要系統(tǒng)容量大幅度提高。在有限的無線頻譜資源條件下，只有極大地提高頻譜利用率才能使系統(tǒng)容量更高。采用多輸入多輸出(MIMO)天線技術可以滿足要求。MIMO技術的主要研究方向包括：MIMO信道、MIMO收發(fā)技術、分布式MIMO和MIMO應用。MIMO技術是無線通信領域重大的技術突破，將成為未來無線寬帶移動通信系統(tǒng)和無線寬帶接入系統(tǒng)的關鍵技術。

關鍵字:多輸入多輸出；分布式無線通信系統(tǒng)；關鍵技術；體系結構

英文摘要:The future wireless communications system requires higher data transmission speed and better QoS, therefore the system capacity should be greatly improved. With limited radio frequency resources, it can only be satisfied by tremendously enhancing the frequency utilization efficiency. The Multiple Input Multiple Output (MIMO) technology is a good choice. The study of MIMO includes MIMO channel, MIMO transceiver, distributed MIMO and application of MIMO. The MIMO technology is a great technological breakthrough in the domain of wireless communications, and it will become a key technology for the future broadband mobile communications system and broadband wireless access system.

英文關鍵字:multiple input multiple output; distributed wireless communication system; key technology; architecture

基金項目：國家自然科學基金項目(60496313)；教育部博士點基金項目(20020614001)

      下一代無線通信系統(tǒng)將提供用戶更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的服務質(zhì)量，系統(tǒng)容量需要大幅度提高，因此有限的無線頻譜資源迫使下一代無線通信技術必須極大地提高頻譜利用率。多輸入多輸出(MIMO)天線技術正適應未來無線通信技術發(fā)展的要求，近年來得到迅猛的發(fā)展。MIMO技術是指在發(fā)射端通過多個發(fā)射天線傳送信號，在接收端使用多個接收天線接收信號的無線通信技術，目前理論已經(jīng)證明應用MIMO技術能極大地提高無線通信系統(tǒng)的性能和容量[1]。

      貝爾實驗室的Telestar和Foschini等人首先對MIMO系統(tǒng)的信道容量進行深入分析并提出了貝爾實驗室分層空時算法(BLAST)，隨后Tarokh等人提出了空時格碼(STTC)，Alamouti提出了空時分組碼(STBC)，使得MIMO技術的研究迅速成為無線通信領域的研究熱點。

1 MIMO信道
      研究無線通信技術首先就要研究無線信道。同樣，MIMO技術的研究發(fā)展總是圍繞著人們對MIMO信道的深入研究而繼續(xù)發(fā)展。在早期的MIMO技術研究中為了簡化分析，研究者通常假設天線陣列周圍存在大量散射物，且天線元間距大于半波長，不同天線的信道衰落是不相關的[2]，因此早期大量的研究成果在獨立信道的前提條件下完成。

      隨著MIMO信道研究的發(fā)展和趨于成熟，人們發(fā)現(xiàn)隨著MIMO信道相關性逐漸增強，MIMO信道的容量將急劇下降。當信道存在相關性時，早期部分重要MIMO技術研究成果應用于無線通信系統(tǒng)中時，性能將急劇降低甚至于不能正常工作，而在現(xiàn)實環(huán)境中具有相關性或相關性強的MIMO信道環(huán)境大量存在。隨著MIMO技術研究的深入，人們對MIMO信道的研究也越來越考慮接近實際信道環(huán)境的MIMO信道模型�，F(xiàn)在建立在更為真實的相關性MIMO信道模型下的MIMO技術的研究已成為主要研究發(fā)展方向，其中主要研究內(nèi)容包括：

      (1)MIMO信道建模
      信道建模從一般的相關性信道和均勻線性陣列天線配置(ULA)的MIMO信道建模向更接近實際情況的各種無線通信環(huán)境和可能使用的不同天線配置(如ULA、均勻圓形天線陣列、均勻矩形天線陣列等)方式的MIMO信道建模方向發(fā)展，信道模型更接近真實的無線環(huán)境。

      (2)MIMO信道的容量分析
      容量分析從獨立信道和一般的相關性MIMO信道的容量分析向具體使用不同發(fā)射方案在各種MIMO信道條件下的容量分析方向發(fā)展，容量分析更準確。

      (3)MIMO關鍵技術
      關鍵技術包括各種MIMO空時編碼、信道估計、信道檢測技術，及其在各種應用環(huán)境的相關性MIMO信道下的新方法及性能分析。

2 MIMO收發(fā)技術
      MIMO技術實質(zhì)上是利用空間資源的信號處理技術，從信號處理方法上主要分為兩大類：一類是空間復用技術，如貝爾實驗室提出的BLAST[3]；另一類是空間分集技術，如STBC[4]。前期的MIMO收發(fā)技術主要圍繞空間復用和空間分集處理技術，提出了很多發(fā)射方案和信號檢測技術。發(fā)射方案主要有各種空時頻編碼、BLAST和空時頻編碼與BLAST相結合的多種發(fā)射方案。經(jīng)典的接收檢測技術則包括最大似然檢測(ML)、最小均方誤差(MMSE)、迫零(ZF)、球形譯碼(SD)、垂直-貝爾實驗室分層空時算法(V-BLAST)及迭代方法等。這些傳統(tǒng)的收發(fā)技術還在進一步發(fā)展和完善。

      MIMO技術發(fā)展以來，人們已經(jīng)提出了很多的MIMO系統(tǒng)方案，總結這些較早的MIMO系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，它們都是在發(fā)射端未知信道狀態(tài)信息條件下從N個發(fā)射天線發(fā)射信號x1......xN，信號經(jīng)過MIMO信道H后，N個接收天線接收信號y1......yN后通過各種信道估計方法獲取信道狀態(tài)信息進行檢測，這類系統(tǒng)可以稱為信道狀態(tài)信息接收端已知(CSIR)系統(tǒng)(如圖1所示，其中n1......nN為附加白高斯噪聲)。然而對MIMO信道的研究表明，如果信道狀態(tài)信息在發(fā)射端和接收端都可以利用的話，MIMO系統(tǒng)的性能將進一步提高[5]，特別是當信道狀態(tài)信息在發(fā)射端精確已知(CSIT)時(如圖2所示)，發(fā)射端可以利用已知的信道狀態(tài)信息對發(fā)射信號進行信號預處理(如圖2中w1......wN)，MIMO系統(tǒng)的性能可以達到最優(yōu)。實際上信道狀態(tài)信息可以在接收端通過信道估計技術獲得。在頻分雙工(FDD)的無線通信系統(tǒng)中，可以利用反向信道將信道狀態(tài)信息反饋給發(fā)射端；在時分雙工(TDD)的無線通信系統(tǒng)中，則可以利用反向鏈路的信道信息估計值近似獲得信道狀態(tài)信息。因此，如何準確地估計信道狀態(tài)信息，如何準確地反饋信道狀態(tài)信息，如何在已知信道狀態(tài)信息條件下設計MIMO收發(fā)方案等成為MIMO技術的重要研究方向。目前這方面的研究工作已經(jīng)展開，例如：MIMO預編碼技術、MIMO的發(fā)射天線選擇技術、MIMO的自適應編碼調(diào)制技術等等。

      在一些實際的MIMO系統(tǒng)中，信道狀態(tài)信息反饋時可能存在一定的差錯或?qū)嶋H的MIMO信道變化太快，系統(tǒng)的發(fā)射端不能夠獲得完美的信道狀態(tài)信息。另一方面，在CSIT的MIMO系統(tǒng)中，需要反饋的信道狀態(tài)信息量隨著接收端天線數(shù)目的增加而急劇增大，但在實際MIMO系統(tǒng)中反向信道的容量有限，反饋的信息太多將嚴重影響系統(tǒng)容量。因此，部分反饋信道狀態(tài)信息或發(fā)射端部分知道信道狀態(tài)信息的MIMO收發(fā)技術更具有實際的應用價值，發(fā)射端部分知道信道狀態(tài)信息的MIMO系統(tǒng)成為MIMO技術重要的研究方向。已經(jīng)有學者在研究發(fā)射端部分知道信道狀態(tài)信息條件下，進行發(fā)射端和接收端的聯(lián)合設計，以便最大可能地提高MIMO系統(tǒng)性能[6]。目前關于發(fā)射端部分知道信道狀態(tài)信息的MIMO技術研究包括：

      (1)如何有效地反饋信道狀態(tài)信息，減少需要反饋的比特數(shù)目并保證其魯棒性。

      (2)發(fā)射端部分知道信道狀態(tài)信息的MIMO系統(tǒng)性能分析。

      (3)發(fā)射端部分知道信道狀態(tài)信息的MIMO系統(tǒng)發(fā)射技術和接收技術的聯(lián)合設計。

      有關這方面的研究已經(jīng)取得了一些初步的研究成果。

3 MIMO技術的體系結構
      為了提高系統(tǒng)容量，下一代的無線寬帶移動通信系統(tǒng)將會采用MIMO技術，即在基站端放置多個天線，在移動臺也放置多個天線，基站和移動臺之間形成MIMO通信鏈路。應用MIMO技術的無線寬帶移動通信系統(tǒng)從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類：一類是多個基站天線集中排列形成天線陣列，放置于覆蓋小區(qū)，這一類可以稱為集中式MIMO；另一類是基站的多個天線分散放置在覆蓋小區(qū)，可以稱為分布式MIMO。

      MIMO技術可以比較簡單地直接應用于傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)，將基站的單天線換為多個天線構成的天線陣列。如圖3所示，基站通過天線陣列與小區(qū)內(nèi)的具有多個天線的移動臺進行MIMO通信。從系統(tǒng)結構的角度看，這樣的MIMO系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單入單出(SISO)蜂窩通信系統(tǒng)相比并沒有根本的區(qū)別。

傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)[7]可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗，能夠在小區(qū)內(nèi)形成良好的系統(tǒng)覆蓋，解決小區(qū)內(nèi)的通信死角，提高通信服務質(zhì)量。最近在MIMO技術的研究中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)與MIMO技術相結合可以提高系統(tǒng)容量，這種新的分布式MIMO系統(tǒng)結構——分布式無線通信系統(tǒng)(DWCS)[8]成為MIMO技術的重要的研究熱點。

在采用分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)中(如圖4所示)，分散在小區(qū)內(nèi)的多個天線通過光纖和基站處理器相連接。具有多天線的移動臺和分散在附近的基站天線進行通信，與基站建立了MIMO通信鏈路。這樣的系統(tǒng)結構不僅具備了傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)的優(yōu)勢，減少了路徑損耗，克服了陰影效應，同時還通過MIMO技術顯著提高了信道容量。與集中式MIMO相比，DWCS的基站天線之間距離較遠，不同天線與移動臺之間形成的信道衰落可以看作完全不相關，信道容量更大。總體上說，分布式MIMO系統(tǒng)的信道容量更大，系統(tǒng)功耗更小，系統(tǒng)覆蓋性能更好，系統(tǒng)具有更好的擴展性和靈活性。
分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)也帶來了一些新問題。移動臺和小區(qū)內(nèi)鄰近的天線建立的MIMO鏈路，由于基站不同天線的位置不同，它們距離移動臺的距離不同，使得基站端的多個天線的信號到達移動臺的延時也不同，因此帶來新的研究問題。目前在這方面研究較多的是進行容量分析。除此之外的研究內(nèi)容還包括：具體的同步技術、信道估計、天線選擇、發(fā)射方案、信號檢測技術等，這些問題有待于深入研究。

4 MIMO技術的應用
      MIMO技術已經(jīng)成為無線通信領域的關鍵技術之一，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，MIMO技術將越來越多地應用于各種無線通信系統(tǒng)。在無線寬帶移動通信系統(tǒng)方面，第3代移動通信合作計劃(3GPP)已經(jīng)在標準中加入了MIMO技術相關的內(nèi)容，B3G和4G的系統(tǒng)中也將應用MIMO技術。在無線寬帶接入系統(tǒng)中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標準也采用了MIMO技術。在其他無線通信系統(tǒng)研究中，如超寬帶(UWB)系統(tǒng)、感知無線電系統(tǒng)(CR)，都在考慮應用MIMO技術。

      MIMO技術正從前期理論研究進入理論研究和實際應用相結合的階段�，F(xiàn)在有很多學者正研究MIMO技術在實際應用中遇到的實現(xiàn)問題。隨著使用天線數(shù)目的增加，MIMO技術實現(xiàn)的復雜度大幅度增高，從而限制了天線的使用數(shù)目，不能充分發(fā)揮MIMO技術的優(yōu)勢。目前，如何在保證一定的系統(tǒng)性能的基礎上降低MIMO技術的算法復雜度和實現(xiàn)復雜度成為學術界和業(yè)界面對的巨大挑戰(zhàn)。

5 結束語
      MIMO技術是近十年來無線通信領域重大的技術突破，將成為未來無線寬帶移動通信系統(tǒng)和無線寬帶接入系統(tǒng)的關鍵技術。作為無線通信領域近年來發(fā)展起來的新技術，MIMO技術在通信理論上還遠沒有完善，有很多的關鍵技術需要進一步研究，MIMO技術還在繼續(xù)發(fā)展。同時，人們對高質(zhì)量的無線通信系統(tǒng)的需求不斷催生新的應用，MIMO技術在通信系統(tǒng)中的實際應用將不斷促進MIMO技術的進一步發(fā)展。

6 參考文獻
[1] Foschini G J, Gans M J. On Limits of Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multiple Antennas[J]. Wireless Personal Communications, 1998,6(3):311-335.
[2] Jakes W C Jr. Microwave Mobile Communications[M]. New York, NY, USA: John Wiley and Sons, 1974.
[3] Foschini G J. Layered Space-time Architecture for Wireless Communications in a Fading Environment[J]. Bell Labs Technical Journal, 1996, 1(2):41-59.
[4] Alamouti S M. A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1998,16(8):1451-1458.
[5] Roh J C, Rao B D. Multiple Antenna Channels with Partial Channel State Information at the Transmitter[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2004,3(2):677-688.
[6] Narula A, Lopez M J, Trott M D, et al. Efficient Use of Side Information in Multiple Antenna Data Transmission over Fading Channels[J]. IEEE Journal on Selected Areas Communications, 1998,16(10):1423-1436.
[7] Saleh A A M, Rustako A J, Roman R S. Distributed Antennas for Indoor Radio Communications[J]. IEEE Trans on Communications, 1987,35(12):1245-1251.
[8] Zhou Shidong, Zhao Ming, Xu Xibin, et al. Distributed Wireless Communication System: a New Architecture for Future Public Wireless Access[J]. IEEE Communications Magazine, 2003,41(3):108-113.
收稿日期：2006-01-16

回答者： lbblbblbb 回答時間：2011-10-19 13:12

這解釋感覺太粗糙了，求詳細通俗易懂點的介紹！

左岸|右轉(zhuǎn) 2013-10-16 09:25

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