大规模|MIMO及大规模MIMO的技术原理与应用
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本期目录
1
【 大规模|MIMO及大规模MIMO的技术原理与应用】MIMO的技术原理
2
MIMO技术的应用
3
大规模MIMO的技术原理
4
大规模MIMO技术的应用
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MIMO的技术原理
MIMO，即多入多出（Multiple-Input Multiple-Output），是指在无线通信系统的发射端和接收端同时使用多个天线的通信技术。如图1所示。
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图1 MIMO系统
MIMO技术最早由无线通信技术的鼻祖马可尼（Marconi）于1908年提出。他认为可以通过在发射设备和接收设备布置多个天线来抑制信道衰落，从而提升无线通信系统的质量。
上个世纪90年代，Bell实验室的学者对MIMO技术的进一步发展做出了巨大的贡献。1995年Telatar计算出了在衰落情况下的MIMO容量，1996年Foshinia研究成功D-BLAST（Diagonal Bell Labs Layered Space-Time)算法，1998年Tarokh等研究成功用于MIMO系统的空时码，1998年Wolniansky等人采用V-BLAST（Vertical Bell Labs Layered Space-Time）算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率。
MIMO技术对通信系统性能的改善主要体现在以下几个方面：
（1）提高系统容量
对于发射天线数为N，接收天线数为M的MIMO系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，当N、M很大时，则信道容量C近似为：
C=[min(M,N)]Blog2(1+S/N)
其中B为信道带宽，S/N为接收端平均信噪比。
上式表明，当接收信噪比和信道带宽一定时，MIMO系统的容量随发射天线个数和接收天线个数中最小值的增加而线性增加。
（2）对抗多径衰落
MIMO系统存在多个不相关信道，可以起到空间分集的作用，从而有效地对抗多径衰落。
（3）减少系统内干扰
MIMO系统可以形成指向性波束，从而降低基站之间的干扰和用户间干扰。
（4）提高系统可靠性
多信道的存在，使得系统可靠性增加。
MIMO技术主要有三种实现方式：
（1）空间复用（Spatial Multiplexing）：系统将数据分割成多份，分别在发射端的多根天线上发射出去，接收端接收到多个数据的混合信号后，利用不同空间信道间独立的衰落特性，区分出这些并行的数据流。从而达到在相同的频率资源内获取更高数据速率的目的。
图2 MIMO系统——空分复用
（2）传输分集技术：以空时编码（Space Time Coding）为代表。在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率。空时编码通过在发射端增加信号的冗余度，使信号在接收端获得分集增益。
图3 使用空时编码的MIMO系统
（3）波束成型（Beam Forming）：系统通过多根天线产生一个具有指向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提升信号质量，并减少对其他用户的干扰。
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图4 MIMO系统——波束成型
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MIMO技术的应用
MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带接入系统中， 802.11n和802.11ac等标准都采用了MIMO技术。在蜂窝移动通信系统方面， 3GPP最早在3G WCDMA HSPA+标准中引入了MIMO技术（2T2R，二根发射天线，二根接收天线）；在B3G网络（LTE）中，最高支持4T4R MIMO技术；在4G网络（LTE-A）中，最高支持8T8R MIMO技术。
在LTE系统中，共定义了9种无线下行传输模式（TM1-TM9）。如下表所示。
表1LTE系统的无线下行传输模式
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大规模MIMO的技术原理
所谓大规模MIMO，是指天线根数达到数十根或数百根以上的MIMO系统。普通MIMO系统的天线数量一般是4根（2T2R）、8根（4T4R）或16根（8T8R），而大规模MIMO系统的天线可达64T64R、128128R，甚至256T256R。
普通MIMO系统的天线一般只在水平方向排列，而大规模MIMO系统的天线则在水平和垂直两个方向排列，形成一个平面。如图5所示。
图5-1 普通MIMO系统的天线排列
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图5-2 大规模MIMO系统的天线排列
我们知道，天线的尺寸一般是波长的1/2或1/4，而MIMO系统的天线之间的间距一般要求不小于半波长，因此，大规模MIMO技术更适合在高频段的通信系统中使用。如频段太低，会导致天线尺寸太大，以致难以进行工程实施。
相对于普通MIMO技术，大规模MIMO带来如下好处：
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