什么是MIMO？

MIMO技術(shù)是指能在不增加帶寬的情況下，成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。

它可以定義為發(fā)送端和接收端之間存在多個獨(dú)立信道，也就是說天線單元之間存在充分的間隔，因此，消除了天線間信號的相關(guān)性，提高了信號的鏈路性能，增加了數(shù)據(jù)吞吐量。



在設(shè)計上，MIMO是5g和WiFi-6的核心技術(shù)所在，多組天線的收發(fā)，能夠保障穩(wěn)定的信息傳輸和更大的信道容量，使得網(wǎng)速大大提升。

為什么要用MIMO？

先來介紹一下傳輸理論公式：



從公式我們都知道，要想接收功率大，只有以下幾種方法：增大發(fā)射功率，增大發(fā)射、接收天線增益，增大波長，減小通信距離。

從實(shí)際應(yīng)用中，為了保證通信容量，低頻段很難保證；縮短通信距離意味著需要更多的基站；增大發(fā)射功率意味著成本指數(shù)級增長，同時由于無委會的限制，好多公網(wǎng)頻段的發(fā)射功率都有限制；最終結(jié)果就只有一個，增大接收天線和發(fā)射天線的增益。

但是單天線的增益不是無限增加的，這里就不得不引入一個新概念-波束賦形。

波束賦形也可以看作是一個空間的高級濾波器，把天線輻射的能量集中起來。這一特殊功能形成特定的波束并通過波束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。



單天線的增益沒有辦法無限增加，但是可以通過多天線賦型實(shí)現(xiàn)增益的提升。

MIMO的形式？

MIMO主要使用了兩種關(guān)鍵技術(shù)：空間分集和空分復(fù)用。不管是分集技術(shù)還是復(fù)用技術(shù)，都是把一路數(shù)據(jù)變成多路數(shù)據(jù)的技術(shù)，可以歸為空時編碼技術(shù)。

空間分集，又被稱為天線分集，是無線通信中使用最多的分集形式，它既可以用于移動臺，也可以用于基站，或者同時應(yīng)用于兩者。

空間分集基于這樣一個事實(shí):在移動臺端，如果天線間的相隔距離等于或者大于半個波長，或者在基站端分集天線間的相隔距離大于一定值(通常是幾十個波長)，那么不同的分集天線上收到的信號包絡(luò)將基本上是不相關(guān)的。

空間復(fù)用就是在接收端和發(fā)射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個數(shù)據(jù)通道（MIMO子信道）發(fā)射信號，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。

這種信道容量的增加不需要占用額外的帶寬，也不需要消耗額外的發(fā)射功率，因此是提高信道和系統(tǒng)容量一種非常有效的手段。



其實(shí)簡單理解也就是空間分集不同通道中傳輸?shù)氖窍嗤臄?shù)據(jù)。

有效降低了多徑效應(yīng)的影響。

空間復(fù)用不同通道中傳輸?shù)氖遣煌臄?shù)據(jù)。

大大增加了信道容量。

MIMO的本質(zhì)就是一種復(fù)雜的分集技術(shù)，它通過空間復(fù)用和空間分集這兩種方式來提高信息傳輸速率或改善系統(tǒng)性能。

空間分集是為了提高系統(tǒng)的魯棒性，而空間復(fù)用更多的是為了提高系統(tǒng)的吞吐量；這兩種技術(shù)都可以有效的提高信號增益。



今天我們重點(diǎn)來了解一下分集技術(shù)。

空間分集（又叫做天線分集），指將同一信息進(jìn)行編碼后從多指將同一信息進(jìn)行編碼后從多根天線上發(fā)射出去的方式，接收端將信號區(qū)分出來并進(jìn)行合并，從而獲得分集增益。

空間分集技術(shù)經(jīng)常用于城市蜂窩系統(tǒng)中，它可以通過選擇最好的接收信號或其合成信號以減少衰落的影響。

分集的基本思想是將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的（獨(dú)立的）多路信號，然后把這些多路信號分離信號的能量按一定的規(guī)則合并起來，使接收到的有用信號能量最大，進(jìn)而提高接收信號的信噪比。

因此，分集接收包括兩個方面的內(nèi)容：一是如何把接收的多徑信號分離出來使其互不相關(guān)，二是將分離出來的多徑信號恰當(dāng)合并，以獲得最大信噪比。

在空間分集系統(tǒng)模型中，當(dāng)發(fā)射天線間距大于長度d時，我們可以認(rèn)為不同子信道的信道增益相互獨(dú)立，產(chǎn)生的信號路徑也是不相關(guān)的，d是與天線所處的散射環(huán)境和載波頻率有關(guān)的常數(shù)（通常我們認(rèn)為d大于1/2的波長）。

那么MIMO天線分集是不是天線越多越好？ 香農(nóng)給出了單發(fā)射天線、單接收天線的SISO無線信道的極限容量公式：



B為信道帶寬，S/N為接收端信噪比。

由香農(nóng)公式，提高SNR或帶寬可以增加無線信道容量。但發(fā)射功率P和帶寬都是有一定限度的。在一定帶寬條件下，SISO無論采用什么樣的編碼和調(diào)制方式，系統(tǒng)容量都不可能超過香農(nóng)公式極限。

目前廣泛使用的Turbo碼、LDPC碼，使信道容量逼近了信道容量極限。

但多天線的情況下，信道容量隨著接收天線數(shù)量Mr的增加而增加，兩者為對數(shù)關(guān)系；信道容量也隨著發(fā)射天線數(shù)量Mt的增加而增加，兩者也為對數(shù)關(guān)系； 也就是說發(fā)射分集和接受分集可以改善接收端的信噪比，從而提高信道容量和頻譜效率，但對信道容量的提升也是有限的，僅為對數(shù)關(guān)系。

MIMO系統(tǒng)容量會隨著發(fā)射端或接收端天線數(shù)中較小的一方min（Mr，Mt）的增加而線性增加（不是對數(shù)增加）。

對于天線分集技術(shù)，由于不同通道傳輸數(shù)據(jù)相同切互不相關(guān)所以，在射頻方案的設(shè)計上與普通的方案設(shè)計沒有什么區(qū)別。

MIMO技術(shù)主要分為分集與復(fù)用，分集技術(shù)通信容量的提升有限，分集的容量提升主要體現(xiàn)在信噪比的提升。 復(fù)用技術(shù)的提升體現(xiàn)通信容量的成倍增加。

空間復(fù)用從工作方式上分為：半雙工和全雙工 半雙工就是我們常說的TDD，收發(fā)頻率相同，收發(fā)不同時，因此射頻方案的設(shè)計不需要考慮自干擾的問題；方案設(shè)計相對而言比較簡單。下圖是一個典型的TDD 4*4MIMO的收發(fā)系統(tǒng)。

?

全雙工也分為FDD與完全全雙工，F(xiàn)DD顧名思義收發(fā)頻率不相同，由于收發(fā)可能同時存在，在射頻方案設(shè)計時需要考慮發(fā)射對接收的影響，一般來說我們通過共址濾波器來實(shí)現(xiàn)FDD的寬帶噪聲抑制，由于收發(fā)處于同一時段，所以在濾波器的設(shè)計與選擇時，對濾波器的性能要求較高，假設(shè)發(fā)射功率33dBm，接收靈敏度-100dBm，那么就要求接收通道的濾波器對發(fā)射通道的抑制要達(dá)到133dBc. 對于FDD方案設(shè)計來說，單個濾波器沒有辦法實(shí)現(xiàn)這么高的抑制，所以在方案的設(shè)計時，需要收發(fā)的中頻設(shè)計為不同的頻率，通過高性能雙工器加上高選擇性的中頻濾波器來實(shí)現(xiàn)板級的寬帶噪聲抑制。

下圖是一個集群FDD系統(tǒng)對雙工器的指標(biāo)技術(shù)要求。



不管是FDD還是TDD，由于空間復(fù)用方式定義不同通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不同，因此對射頻通道的幅度與相位都有著較高的要求，所以在上述兩種方案設(shè)計時，都需要考慮不同通道的幅度一致性與相位一致性進(jìn)行設(shè)計考。

一般而言我們通過數(shù)控衰減器與移相器來實(shí)現(xiàn)對通道的幅頻響應(yīng)控制。

第三種，完全全雙工，顧名思義，收發(fā)同頻同時。

這是5G大規(guī)模MIMO的一個重要的研究方向，這個技術(shù)在國內(nèi)通信行業(yè)來說是一個比較先進(jìn)的技術(shù)，因為同頻同時，因此自干擾就不可避免的出現(xiàn)了。



解決自干擾模擬對消與數(shù)字對消。

在具體實(shí)施的過程中，可能不僅僅做一次相減即可，而需要做多次，如下面的框架圖



其中Hc,r(s)那里是第一次相減，即模擬相減，原因是在于，如果不減的話，那么由于本地的發(fā)送信號到接收信號沒有距離上的衰減，所以很強(qiáng)，如果該信號再次經(jīng)過LNA（低噪聲放大器），那么信號是滿格，或者破壞LNA，所以需要第一次抵消自己的發(fā)送信號，相當(dāng)于一次粗過濾。

然后在數(shù)字解調(diào)部分，即Hc,d(s)那里做第二次相減，即數(shù)字相減，做一次細(xì)的過濾，從而解出對方的信號。

全雙工技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必然是一次顛覆性創(chuàng)新，射頻工程師也能在此技術(shù)崛起的過程中再次站上關(guān)鍵崗位，但是全雙工技術(shù)目前一直還停留在實(shí)驗室階段，華為早在2019年就已經(jīng)在打板驗證全雙工技術(shù)，但是目前為止，也沒有推向市場。

審核編輯：劉清