MIMO信道容量的介绍

MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统是一项考虑用于802.11n的技术。802.11n是下一代802.11标准，可将吞吐量提高到100Mbps。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。 [编辑本段]1、MIMO概述　　MIMO 表示多输入多输出。读/maimo/或/mimo/，通常美国人前者，英国人读后者，国际上研究这一领域的专家较多的都读读/maimo/。通常用于 IEEE 802.11n，但也可以用于其他 802.11 技术。MIMO 有时被称作空间多样，因为它使用多空间通道传送和接收数据。只有站点（移动设备）或接入点（AP）支持 MIMO 时才能部署 MIMO。
　　MIMO 的优点是能够增加无线范围并提高性能。连接到老的 802.11g 接入点的 802.11n 站点能够以更高的速度连接到更远的距离。例如，如果使用老站点，从 25 英尺的距离连接到接入点的速度是 1Mbps；而使用 802.11n MIMO 时站点的速度为 2Mbps。增加到 2Mbps 的范围，允许用户在更远的距离保持连接。
　　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）的当前或老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。它允许天线同时传送和接收。
　　老接入点到老客户端 - 只发送和接收一个空间流
　　
　　MIMO 接入点到 MIMO 客户端 - 同时发送和接收多个空间流
　　
　　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算法、MMSE算法、ML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。
　　通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。
　　特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。
　　MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。
　　系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
　　其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。 [编辑本段]2、MIMO发展历史　　1990年代，全世界无线通信领域均针对多天线系统进行研究，希望实作出能指向接收者之波束成型技术，亦即是所谓智慧型天线 —— 一种能使波束聪明地追踪接收者（即移动电话）的技术，如同有个人持着天线到处移动，就像一道自手电筒射出的光束可追踪一位在黑暗中移动的人一样。智慧型天线借由波束对其指向（亦即对目标接收者）的相长干涉（constructive interference）及同时间该波束对目标接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference）来增加信号增益，以实现上述智慧型天线的优点，并对于此发送单位上的多天线间，采用一较窄的天线间距来实作此波束。一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距，以满足空间上的采样定理且避免旁瓣辐射（grating lobes），亦即空间上的混叠。
　　波束成型技术的缺点乃是在都市的环境中，信号容易朝向建筑物或移动的车辆等目标分散，因而模糊其波束的集中特性（即相长干涉），丧失多数的信号增益及减少干扰的特性。然而此项缺点却随着空间分集及空间多工的技术在 1990 年代末的发展，而突然转变为优势。这些方法利用多径（multipath propagation）现象来增加资料吞吐量、传送距离，或减少比特错误率。这些型态的系统在选择实体的天线间距时，通常以大于被发送信号的波长的距离为实作，以确保 MIMO 频道间的低关联性及高分集阶数（diversity order）。[1][2] [编辑本段]3、MIMO 技术　　MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1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，平均误差概率可以减小到 ，单天线衰落信道的平均误差概率为 。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。智能天线技术也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，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。
　　分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被成为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。
　　根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。
　　D-BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J. Foschini提出。原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，如图1.b所示，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。如图1.b所示，在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证D-BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M(发送天线数目)个发送时间间隔 ，那么burst的长度越小，这种浪费越严重。它的数据检测需要一层一层的进行，如图1.b所示：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b2……
　　另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。如图1.c所示，它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。
　　（图1）
　　考虑到D-BLAST以及V-BALST模式的优缺点，一种不同于D-DBLAST与V-BLAST的空时编码结构被提出：T-BLAST。等文献分别提及这种结构。它的层在空间与时间上呈螺纹(Threaded)状分布，如图2所示。原始数据流被多路分解为若干子流之后，每个子流被对应的天线发送出去，并且这种对应关系周期性改变，与D-BLAST系统不同的是，在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送，而是所有天线均进行发送，使得单从一个发送时间间隔 来看，它的空时分布很像V-BALST，只不过在不同的时间间隔中，子数据流与天线的对应关系周期性改变。更普通的T-BLAST结构是这种对应关系不是周期性改变，而是随机改变。这样T-BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。
　　 [编辑本段]4、MIMO 的研究状况　　在MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多入多出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中，均假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。
　　另外实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。目前各大公司均在研制实验系统。
　　Bell实验室的BLAST系统[4]是最早研制的MIMO实验系统。该系统工作频率为1.9GHz，发射8天线，接收12天线，采用D-BLAST算法。频谱利用率达到了25.9bits/(Hz??s)。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在3G、4G应用尚有相当大距离。在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。在上述具体实验系统中，每一基台各设置2副发送天线和3副接收天线，而每一用户终端各设置1副发送天线和3副接收天线，即下行通路设置2×3天线、上行通路设置1×3天线。这样与“单输入/单输出天线”SISO相比，传输上取得了10～20dB的好处，相应地加大了系统容量。而且，基台的两副发送天线于必要时可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速率可以加倍。
　　朗讯科技的贝尔实验室分层的空时（BLAST）技术是移动通信方面领先的MIMO应用技术，是其智能天线的进一步发展。BLAST技术就其原理而言，是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”，在接收端对其进行“恢复”。利用BLAST技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路容量。BLAST技术证明，在天线发送和接收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效果，提高系统容量。理论研究业已证明，采用BLAST技术，系统频谱效率可以随天线个数成线性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，系统容量就能够得到不断提升。这也充分证明BLAST技术有着非常大的潜力。鉴于对于无线通信理论的突出贡献，BLAST技术获得了2002年度美国ThomasEdison（爱迪生）发明奖。
　　2002年10月，世界上第一颗BLAST芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，贝尔实验室研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了贝尔实验室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技术的芯片，这一芯片支持最高4×4的天线布局，可处理的最高数据速率达到19.2Mbps。该技术用于移动通信，BLAST芯片使终端能够在3G移动网络中接收每秒19.2兆比特的数据，现在，朗讯科技已经开始将此BLAST芯片应用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同时还计划授权终端制造商使用该BLAST芯片，以提高无线3G数据终端支持高速数据接入的能力。
　　2003年8月，AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi芯片组，并称其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技术的批量上市产品。AGN100使用该公司的多天线传输和接收技术，将现在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同时保持与所有常用Wi-Fi标准的兼容性。该产品集成两片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一种可伸缩结构，使制造商可以只使用一片RF芯片实现单天线系统，或增加其他RF芯片提升性能。该芯片支持所有的802.11 a、b和g模式，包含IEEE 802.11工作组推出最新标准(包括TGi安全和TGe质量的服务功能)。
　　Airgo的芯片组和目前的Wi-Fi标准兼容，支持802.11a, "b,"和"g"模式，使用三个5-GHz和三个2.4-GHz天线，使用Airgo芯片组的无线设备可以和以前的802.11设备通讯，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a设备通讯的同时还可以以108Mbps的速度和Airgo的设备通讯。 [编辑本段]5、MIMO 的 应用　　为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成MIMO通信链路。应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类：一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区，这一类可以称为集中式MIMO；另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区，可以称为分布式MIMO。
　　MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列。基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行MIMO通信。从系统结构的角度看，这样的MIMO系统与传统的单入单出(SISO)蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。
　　传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损耗，能够在小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角，提高通信服务质量。最近在MIMO技术的研究中发现，传统的分布式天线系统与MIMO技术相结合可以提高系统容量，这种新的分布式MIMO系统结构——分布式无线通信系统(DWCS)[8]成为MIMO技术的重要研究热点。
　　在采用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接。具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信，与基站建立了MIMO通信链路。这样的系统结构不仅具备了传统的分布式天线系统的优势，减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过MIMO技术显著提高了信道容量。与集中式MIMO相比，DWCS的基站天线之间距离较远，不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容量更大。总体上说，分布式MIMO系统的信道容量更大，系统功耗更小，系统覆盖性能更好，系统具有更好的扩展性和灵活性。
　　分布式MIMO的DWCS系统也带来了一些新问题。移动台和小区内邻近的天线建立的MIMO链路，由于基站不同天线的位置不同，它们距离移动台的距离不同，使得基站端的多个天线的信号到达移动台的延时也不同，因此带来新的研究问题。目前在这方面研究较多的是进行容量分析。除此之外的研究内容还包括：具体的同步技术、信道估计、天线选择、发射方案、信号检测技术等，这些问题有待深入研究。
　　MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容，B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中，正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中，如超宽带(UWB)系统、感知无线电系统(CR)，都在考虑应用MIMO技术。
　　随着使用天线数目的增加，MIMO技术实现的复杂度大幅度增高，从而限制了天线的使用数目，不能充分发挥MIMO技术的优势。目前，如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度，成为业界面对的巨大挑战。