多输入多输出技术

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1、多输入多输出技术学院：工商管理学院 专业：市场营销专业 姓名：杨洋班级：B1101学号：1013110122内容摘要:MIMO是指多输入多输出(Multiple In Multiple Out),它是指一台设备用多个天线在 同一个频道内同时发送或者接收多个独立的数据流。通过这种机制，用户可以获得更高的传 输速率和更远的传输距离。MIMO是目前IEEE802.11n标准的核心技术。除了多天线外，还需要配合专门的软件才能真正实现这个技术的优点。综合各种必要条 件，多天线技术和软件保证了数据可以在更远的距离和更多的干扰中更稳定的发送和接收。总之一句话，MIMO技术带给您更远的传输距离和更高的传输速率

2、。在有些情况下，MIMO 技术可以在超过300英尺的距离上达到100Mbps的传输速率。MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统是一项运用于 802.11n 的核心技术。 802.11n是IEEE继802.11bag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-I

3、nput Multi-ple-Output)系统和 MISO(Mul tiple-Input Single-Ou tpu t)系统。关键词：发展史技术分类研究状况重大历程技术应用总结发展史：MIMO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

4、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(diversi ty order)oMIMO-OFDM复合技术MIMO此科技与平坦衰落信道(flat fading channels )兼用时最佳，以降低接收端 信道等化器之复杂度及维持接收端的低功率耗损，也因此 MIMO多半与OFDM结合为复 合技术。MIMO-OFDM 同时为 IEEE 802.16 及 IEEE 802.11n HT (High-Throughput )的 采用标准之一。WCDMA的系统，如HSDPA，亦进行将MIMO技术标准化的动作。MIMO技术所谓的MIMO，就字面上看到的意思，是Mu

5、ltiple Input Multiple Output (多入多 出)的缩写，大部分您所看到的说法，都是指无线网络讯号通过多重天线进行同步收发， 所以可以增加资料传输率。然而比较正确的解释，应该是说，网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行 同步传送，由于无线讯号在传送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会走不同的反射 或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合， 因此接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因 素，将分开的资料重新作组合，然后传送出正确且快速的资料流。由于传送的资料经过分割传送，不仅单一资料流量降低，可拉高传送

6、距离，又增加 天线接收范围，因此MIMO技术不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传输速度，而且又 不用额外占用频谱范围，更重要的是，还能增加讯号接收距离。所以不少强调资料传输 速度与传输距离的无线网络设备，纷纷开始抛开对既有Wi-Fi联盟的兼容性要求，而采 用MIMO的技术，推出高传输率的无线网络产品。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

7、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

8、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，这被称为空间复用。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-BLASTD-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

9、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bu

10、rst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 cO、c1和c2,然后aO、a1和a2,接着bO、b1和b2V-BLAST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

11、 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。T-BLAST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

12、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。技术分类：空分复用(spatial multiplexing)工作在MIMO天线配置下，能够在不增加带宽的条件下，相比 SISO系统成倍地提升信息传输速率，从而极大地提高了频谱利用率。在发射端，高速率的 数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段 上发射出去。如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道

13、足够不同，即能够在时 域和频域之外额外提供空域的维度，使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别, 因此接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源。空间复 用技术在高信噪比条件下能够极大提高信道容量，并且能够在“开环”，即发射端无法获得 信道信息的条件下使用。Foschini等人提出的“贝尔实验室分层空时”(BLAST)是典型的 空间复用技术。空间分集(spatial diversity)：利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途径发送相同 的资料，以增强资料的传输品质。波束成型(beamforming)：借由多根天线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在欲传

14、输的方 向，增加信号品质，并减少与其他用户间的干扰。预编码(precoding)：预编码主要是通过改造信道的特性来实现性能的提升。以上MIMO相关技术并非相斥，而是可以相互配合应用的，如一个 MIMO系统即可 以包含空分复用和分集的技术。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

15、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

16、算法。频谱利用率达到了 25.9bi ts/(Hzs)。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2X3天线、上行通路 设置1X3天线。这样与“单输入/单输出天线” SISO相比，传输上取得了 1020dB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

17、 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MIM0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

18、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。重大历程：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4X4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

19、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

20、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。技术应用：无线宽带移动通信为了提高

21、系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIM0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。传统蜂窝移动通信系统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

22、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系统结构一一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

23、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

24、 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。无线通信领域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

25、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。总结：多输入多输出技术是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现高速数据传输，提高 传输质量的重要途径。它由于具有能够利用或减轻多径衰落，消除共道干扰，提高频谱利用 率等优势，非常适合在无线通信中应用。信息理论的研究为多输入多输出技术的应用提供了 坚实的理论基础，同时也展示了 MIMO技术的巨大潜力与广阔的应用前景。利用MIMO技术可 以在复杂的多径信道

26、传输环境中为客户提供高速的无线传输业务，如宽带无线Internet接 入等。目前正对MIMO技术的研究已经产生了不少使用的成果。随着理论的深入与技术的发 展，MIMO越来越显示出它在高数据传输方面的优越性。参考文献：1百度文献2李振东等.多天线自适应OFDM系统.北京大学出版社，2004.53郭梯云，邬国扬，李建东移动通信M西安：西安电子科技大学出版社，20054周恩等.下一代宽带无线通信OFDM与MIMO技术M.人民邮电出版社，2008.55谢显中等基于TDD的第四代移动通信技术M.电子工业出版社，2005.76唐东，杨亮，黄智伟等半相关平坦衰落下MIMO系统容量分析J,南华大学学报 2005.027王君，朱世华，王磊。多输入多输出系统信道容量研究J,电子与信息学报2005.048张丽国，陈建安。多输入多输出系统信道容量技术J,无线通信技术2005.019王东明等,基于多径时延跟踪的MIMO-OFDM系统信道估计J,应用科学报,2005.04