MIMOMultiple-Input Multiple-Output是指在无线通信领域使用多天线发送和接收信号的技术。MIMO 技术主要应用在 WIFI 领域和移动通信领域可以有效提高系统容量、覆盖范围和信噪比。通常讲的M×NMIMO是指发送端有M个天线接收端有N个天线· MU-MIMOMulti-user MIMO允许发射端同时和多个用户传输数据。WIFI-5标准开始支持4用户的MU-MIMOWIFI-6标准将用户数增加到了8个。· Massive MIMO大规模天线技术极大提升了天线的数量传统MIMO一般使用2~8天线而Massive MIMO则可达到64/128/256个天线。可大幅提高系统容量和传输效率是5G移动通信的关键技术。一、从SISO到MIMOSISO Single-Input Single-Output单发单收发射天线和接收天线之间的路径是唯一的传输的是1路信号。由于发射天线和接收天线之间的路径是唯一的这样的传输系统是不可靠的而且传输速率也会受到限制。SIMOSingle-Input Multiple-Output单发多收多信号是从同一个发射天线发出发送的数据是相同的当某一路信号有部分丢失也没关系只要终端能从另一路信号中收到完整数据即可。虽然最大容量还是1条路径但是可靠性却提高了1倍接收分集增益。同时多根接收天线可以带来阵列增益提高接收端的SNR。MISOMultiple-Input Single-Output因为接收天线只有1个所以这两路最终还是要合成1路这就导致发射天线只能发送相同的数据传输的还是只有1路信号可以达到和SIMO相同的效果发射分集。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个信号并能够区分发往或来自不同空间方位的信号分集复用。▲分集利用多路携带相同信息的信号对抗信道衰落目的是提升可靠性。通过在多条路径上传输相同的数据抵抗信道衰落提高传输可靠性降低误码率。分集增益适用于信道条件较差、信号衰落严重的情况以提高系统的可靠性和传输质量。分集方式核心原理实现条件典型应用优缺点时间分集在不同时间间隔发送同一信号的多个副本时间间隔 信道相干时间信道变化足够快交织编码、自动重传请求ARQ、移动通信中的语音编码✅ 不增加硬件成本❌ 引入延迟降低有效数据率频率分集在不同载波频率上发送同一信号频率间隔 信道相干带宽不同频率衰落独立OFDM系统中的子载波、CDMA宽带扩频、跳频通信✅ 抗频率选择性衰落❌ 占用更多带宽空间分集接收接收端使用多根天线接收同一信号天线间距 信号波长的一半通常≥ λ/2手机的2根/4根接收天线、基站的多天线✅ 不增加带宽/时间消耗❌ 需要多套射频链路体积增大空间分集发送发送端使用多根天线发送同一信号的编码版本同上 需要空时编码如Alamouti编码基站的2/4根发射天线、Wi-Fi路由器✅ 可在接收端单天线时使用❌ 编码复杂度较高极化分集利用水平极化和垂直极化波的衰落独立性同一位置正交极化天线手机内置天线、基站双极化天线✅ 极省体积可在同一位置布置❌ 极化隔离度有限分集增益略低角度分集利用不同到达角度的多径信号接收端使用定向天线阵列室内基站、毫米波通信波束成形✅ 适合多径丰富的环境❌ 对天线阵列和算法要求高· MRC最大比合并接收端空间分集的技术之一。给信噪比高的支路分配更大的权重给信噪比低噪声多的支路分配很小的权重然后加权求和。▲复用利用多路携带不同信息的信号并行传输目的是提升数据速率。通过在多条独立路径上传输不同的数据充分利用系统资源提高系统容量、即总数据率。在发送端将多个独立信号合成为⼀个多路信号叫做复用在接收端 将多路信号分解成各个独⽴信号的过程叫做解复用。复用增益适用于信道条件较好、需要提高数据传输速率的情况以提高系统的容量和效率。复用方式核心原理正交性实现典型应用优缺点频分复用(FDM)总带宽划分为多个不重叠的子频带各子频带之间通过保护间隔隔离传统广播电台FM/AM、模拟电视✅ 原理简单❌ 频谱利用率低保护间隔浪费正交频分复用(OFDM)子载波重叠排列利用正交性避免干扰子载波间隔设计为符号周期的倒数满足正交条件4G/5G/Wi-Fi 6/6E/DVB-T✅ 频谱效率高抗多径衰落❌ 对频偏敏感峰均比高时分复用(TDM)时间划分为周期性时隙轮流分配给不同信号时隙不重叠有保护时间2G(GSM)的TDMA、PON上行、E1/T1数字中继✅ 数字域容易实现❌ 需要严格同步静默时隙浪费码分复用(CDM)不同用户分配唯一正交扩频码同频同时传输扩频码的自相关和互相关特性3G(CDMA2000/WCDMA)、5G上行免授权接入✅ 抗干扰软容量用户越多干扰越大❌ 远-近效应严重需要功率控制空分复用(SDM/MIMO)多天线同时传输不同数据流依赖空间信道矩阵的秩满秩时可分离4x4 MIMO (5G手机)、MU-MIMO (Wi-Fi 5/6/7)✅ 线性提升速率不额外占用时/频资源❌ 要求信道散射丰富终端天线数量够多▲多址在同⼀条信道中传输多个用户的技术针对的是用户。如时分多址、频分多址、码分多 址。【多址肯定要复用不同用户必须占用不同的资源才能区分开来而复用不⼀定多址单个用户可以同时占用多个资源进行接收比如在GSM和3G中一个用户占用多个频道、多个码道或多个时隙来提高传输速率】频分多址FDMA此处的a为access表⽰是⼀种接入方式举例10M的信道划分为5个子信道每个信道2M而每个子信道分别接入用户1,2,3,4,5。二、MIMO使用的关键技术空间分集和空分复用1. 空间分集——发射端制作同一个数据流的不同版本分别在不同的天线进行编码、调制然后发送接收端利用空间均衡器分离接收信号然后解调、解码将同一数据流的不同接收信号合并恢复出原始信号。空间分集技术可以更可靠地传输数据。空间分集有效提升了数据传输的可靠性适用于传输距离长速率要求低的场景波束赋形beamforming技术也可以认为是一种分集技术。波束成形需要先检测信道状态对各天线发送的信号进行预编码使信号在接收端方向叠加增强。波束成形能够增加信号传输距离提高接收端收到的信号质量。2. 空分复用——发射端将需要传送的数据分为多个数据流分别通过不同的天线进行编码、调制然后发送接收端利用空间均衡器分离接收信号然后解调、解码将几个数据流合并恢复出原始信号。空分复用有效提升了数据传输的速率适用于传输距离短速率要求高的场景。三、波束赋形波束赋形Beamforming广义上指所有通过天线阵列产生波束来发送数据流的行为很老的阵列信号处理概念。Beamforming可以区分为模拟Analog beamforming和数字Digital beamforming而Digital beamforming即为预编码PrecodingABF只能调整相位而DBF既可以调 整相位也可以调整幅度。域定义依据模拟域波束赋形在射频端通过移相器实现、受常模约束的波束形成硬件位置射频器件类型移相器约束幅度恒定数字域波束赋形在基带通过数字信号处理实现、可任意调整幅度相位的预编码硬件位置基带器件类型DSP约束无维度BeamformingPrecoding数据流角度向单个用户发送单个数据流。发送的波束中包含一个主瓣main lobe和若干可能产生干扰的低功率旁瓣side lobes。能够向多个用户同时发送多个数据流。波束方向角度向特定方向发送波束通常应用于毫米波系统。因为毫米波信道以视距传输LOS为主用户只有一条功率很强的传输路径。经过数字域的信号处理后能够灵活产生信号可将非视距NLOS路径增益也纳入处理。不产生固定方向的波束处理后信号在空间中传输的效果等效于向不同用户发送了不同的波束。功率控制角度仅通过相移器调整信号相位无法实现功率控制。可同时调整信号的相位和功率能够进行有效的功率控制。服务用户数角度服务用户数的能力受限于射频链路、相移器等硬件。能够更有效地服务多用户。目前前沿方法混合波束赋形预编码1. 模拟域波束赋形射频端完成在射频端通过移相器实现、幅度受常模约束的波束形成从而产生特定方向的波束。重点在于对波束进行赋形也就是设计波束的形状通常的指标是主瓣的宽度、旁瓣的能量泄露等在波束设计阶段是不要求已知信道状态信息的。· 直观理解就像用手电筒的反射罩把散射的光线聚成一束光柱。· 应用实例通常用在控制信号或参考信号的发送1SSB波束扫描轮发这是通信的初始阶段主要用于小区搜索终端通过同步信号块SSB与小区建立联系包括取得小区下行频率、时间同步、检测小区识别号CellID、通过解码广播信道BCH上的系统信息等。简单来说低频覆盖好SSB会采用宽波束高频为抗高路损采用窄波束。2CSI-RS的beamforming设计CSI-RS是基站向终端发送的参考信号终端会利用CSI-RS来估计下行信道然后再测量自己的PMI预编码矩阵指示符、RI能支持的数据流数、CQI信道质量指示等CSI-RS的波束设计需要有定向性不会向SSB波束一样轮发所以通过会利用基站获得的SRS信道进行波束选择或更高级的设计。2. 数字域波束赋形预编码基带完成通过基带对信号进行处理可以让每根天线上的发送信号都不同包括相位和幅值可以更加灵活的产生多个方向和功率强度均不同的波束更加有效的利用空间分集。· 优势① 提高接收端信号质量降低干扰在多用户系统中噪声功率往往恒定而多用户干扰是主要问题。②通过将大量的复杂计算放置在拥有计算性能较好的发送端可以降低接收机的复杂度解决移动台的功耗问题。· 直观理解就像在发送多语种广播前先对不同语言的音频进行编码让不同语言的听众都能解码出自己听得懂的内容。· 一般流程①预编码始于 CSI 估计。CSI 是通过从接收器向发射器发送训练序列或导频信号来收集的。对比维度TDD模式FDD模式上下行频率上行和下行工作在相同频段上行和下行工作在不同频段互易性信道互易性成立上行信道 ≈ 下行信道信道互易性不成立上下行信道独立变化CSI获取方式基站从上行信号的导频中直接估计上行信道再利用互易性得到下行CSI基站需要通过接收端的反馈获得CSI用户测量下行信道后反馈给基站预编码设计类型基于非码本的预编码显式CSI反馈更简单基于码本的有限反馈预编码隐式CSI反馈② 利用CSI估计值计算预编码矩阵。预编码技术有多种包括模拟、线性、非线性和混合。每种技术都需要在性能、成本和复杂性方面进行权衡。在常规场景下非线性预编码性能优于线性预编码但是线性预编码有复杂度低的优势更加容易应用于实际场景中并且大规模MIMO的物理特性基站的天线数趋近于无穷大时使得线性预编码技术性能可以无限逼近性能近乎最优的非线性预编码技术。线性预编码类型代表算法核心原理优缺点迫零预编码(ZF, Zero-Forcing)ZF完全消除多用户干扰将信道矩阵求伪逆作为预编码矩阵✅ 干扰完全消除❌ 噪声可能被放大最小均方误差预编码(MMSE, Minimum Mean Square Error)MMSE在干扰消除与噪声增强之间做权衡最小化发送信号与接收信号的均方误差✅ 比ZF更好的信噪比性能❌ 仍有残留干扰匹配滤波预编码(MF, Matched Filter)MF / MRT最大化用户接收信号功率信道矩阵的共轭转置✅ 复杂度最低❌ 不处理用户间干扰正则化迫零(RZF, Regularized ZF)RZFZF的改进版本加入正则化参数MMSE是其特例✅ 鲁棒性好❌ 需要调优参数非线性预编码类型代表算法核心原理优缺点脏纸编码(DPC, Dirty Paper Coding)Costa编码理论极限发射端已知干扰信息可在不增加功率的情况下完全消除干扰✅性能最优可达信道容量❌ 实现复杂度极高难以工程化汤姆林森-哈拉希玛预编码(THP, Tomlinson-Harashima Precoding)THP采用逐次干扰预消除取模操作是DPC的实际可行近似✅ 性能接近DPC复杂度可控❌ 需要按用户排序存在误差传播向量扰动预编码(VP, Vector Perturbation)VP在发射信号中添加一个整数扰动向量降低发射功率✅ 性能优于线性预编码❌ 需要球解码复杂度高格基约减辅助预编码(LRA, Lattice Reduction Aided)LLL算法 ZF/MMSE通过约减信道矩阵的格基改善线性预编码的病态问题✅ 以较低复杂度获得接近最优性能❌ 实现仍较复杂③ 预编码矩阵用于生成波束成形和数据传输所需的预编码信号。在接收端该过程被逆转利用预编码矩阵获取原始数据符号。应用实例MU-MIMO的非码本预编码TDD系统