0 前语
多入多出（MIMO）体系指在发射端和接纳端一起运用多个天线的通讯体系。研讨证明，MIMO技能十分适用于城市内杂乱无线信号传达环境下的无线宽带通讯体系，在室内传达环境下的频谱功率能够抵达20～40 bit/s/Hz；而运用传统无线通讯技能在移动蜂窝中的频谱功率仅为1～5 bit/s/Hz，在点到点的固定微波体系中也只要10～12 bit/s/Hz。一般，射频信号多径会引起式微，因而被视为有害要素。可是研讨结果表明，关于MIMO体系来说，多径能够作为一个有利要素加以运用。MIMO技能作为进步数据传输速率的重要手法得到人们越来越多的重视，被认为是新一代无线通讯技能的革新。
1 MIMO体系的3种首要技能
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当时，MIMO技能首要运用发射分集的空时编码、空间复用和波束成型等3种多天线技能来进步无线传输速率及质量。
1.1 发射分集的空时编码
根据发射分集技能的空时编码首要有2种，即空时分组码（STBC）和空时格码（STTC）。虽然空时编码计划不能直接进步数据率，可是经过这些并行空间信道独立、不相关地传输信息，然后使信号在接纳端取得分集增益，为数据完成高阶调制发明条件。
1.1.1 空时分组码（STBC）
STBC在发射端对数据流进行联合编码以减小因为信道式微和噪声所导致的符号错误率，它经过在发射端添加信号的冗余度，使信号在接纳端取得分集增益，空时分组码是将同一信息经过正交编码后从多根天线发射出去。MIMO体系的原理如图1所示，传输信息流s（k）经过空时编码构成N个信息子流ci（k），i=1，…，N。这N个信息子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接纳天线接纳。多天线接纳机运用先进的空时编码处理能够分隔并解码这些数据子流，然后完成最佳的处理。特别是这N个子流一起发射信号，各发射信号占用同一频带，因而并未添加带宽。若各发射接纳天线间的通道呼应独立不相关，则多入多出体系能够发明多个并行空间信道。
STBC是1998年，Alamouti提出的一种十分简略的发射分集技能，因为其简略的结构和杰出的功能，很快进入了3GPP规范。STBC实质上是将同一信息经过正交编码后从2个天线上发射出去，2路信号因为具有正交性，在接纳端就能将2路独立的信号差异出来，只需要做简略的线性兼并就能够取得分集增益。
可是，STBC的正交码组的构建还存在必定的问题。关于实数信号星座（PAM星座），它才干够结构编码速率为1的空时编码算法。可是，关于一个一般的复数信号星座，例如MQAM（如16QAM）或MPSK（如8PSK），当发射天线阵子数目大于2时，是否存在编码速率为1的码组还有待更深化的研讨。现在关于发射天线阵子数目等于3、4以及大于4的体系，假如选用复数信号星座，那么最大的空时编码速率只能抵达3/4和1/2。可见，关于选用高阶调制的高速率多天线的无线通讯体系，假如直接选用空时分组编码算法，不或许充分地运用体系的有用性。因而，寻觅更好的空时分组码现在已成为一个研讨方向；别的，如安在频率选择性信道、时刻选择性信道中充分运用空时分组码的优势也是一个研讨课题。总归，当时STBC仍是根据发射天线阵子数目等于2的发射分集技能。
1.1.2 空时格码（STTC）
STTC是从空时推迟分集开展来的，而空时推迟分集能够看作是空时格码的一个特例。空时格码具有卷积码的特征，它将编码、调制、发射分集结合在一起，能够一起取得分集增益和编码增益，并且使得体系的功能有很大的进步。空时格码运用某种网格图，将同一信息经过多个天线发射出去，在接纳端选用根据欧式间隔的Viterbi译码器译码。因而译码杂乱度较高，并且译码杂乱度将跟着传输速率的添加呈指数添加。
前期的分集模型选用延时发送分集，这种分集的框图如图2所示。编码后的数据首要被重复一次，然后经过一个串/并转换器，分红2个完全相同的数据流。其间一数据流经过调制后直接从一个天线发送出去；另一数据流经过一个符号的延时后，再经调制从另一个天线发送出去。因为数据在2个天线上一起发送，不同的只是一路数据被延时了一个符号，所以虽然选用了延时编码，却不会存在频带功率的丢失。在接纳端，经过Viterbi译码能够进行解调。这种延时的分集便是空时码的雏形。能够证明当时所讲的STTC能够由延时发送分集完成。
延时分集技能的发生使人们很自然地想到，能否存在一种更好的编码办法，不需要重复编码，就能在坚持相同的数据速率、不献身带宽的情况下取得更好的功能，这样就发生了一种新的编码办法，这便是集空分、时分、调制于一体的空时编码。
在空时编码中，STTC能够在不添加传送宽带和不改动信息速率的情况下，取得最大的编码增益和分集增益。
1.2 空间复用
体系将数据分割成多份，分别在发射端的多个天线上发射出去，接纳端接纳到多个数据的混合信号后，运用不同空间信道间独立的式微特性，区分出这些并行的数据流。然后抵达在相同的频率资源内获取更高数据速率的意图。空间复用与发射分集技能不同，它在不同天线上发射不同信息。
空间复用技能是在发射端发射彼此独立的信号，接纳端选用搅扰按捺的办法进行解码，此刻的空口信道容量跟着天线数量的添加而线性增大，然后能够显着进步体系的传输速率（见图3）。
运用空间复用技能时，接纳端有必要进行杂乱的解码处理。业界首要的解码算法有迫零算法（ZF）、MMSE算法、最大似然解码算法（MLD）和贝尔实验室分层空时处理算法（BLAST）。
迫零算法，MMSE算法是线性算法，比较简单完成，但对信道的信噪比要求较高，功能欠安；MLD算法具有很好的译码功能，但它的解码杂乱度跟着发射天线数量的添加呈指数添加，因而，当发射天线的数量很大时，这种算法是不实用的；归纳前述算法长处的BLAST算法是功能和杂乱度最优的。
BLAST算法是贝尔实验室提出的一种有用的空时处理算法，现在已广泛运用于MIMO体系中。BLAST算法分为D-BLAST算法和V-BLAST算法。
D-BLAST算法是由贝尔实验室的G.J.Foschini于1996年提出的。关于D-BLAST算法，原始数据被分为若干子数据流，每个子流独立进行编码，并且被循环分配到不同的发射天线。D-BLAST的优点是每个子流的数据都能够经过不同的空间途径抵达接纳端，然后进步了链路的可靠性，但其杂乱度太大，难以实践运用。
1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改善的V-BLAST算法，该算法不再对一切接纳到的信号一起解码，而是先对最强信号进行解码，然后在接纳信号中减去最强信号，再对剩下信号中最强信号进行解码，再次减去，如此循环，直到一切信号都被解出。
2002年10月，世界上第一个BLAST芯片在贝尔实验室面世，这标志着MIMO技能走向商用的开端。
1.3 波束成型技能
波束成型技能又称为智能天线，经过对多个天线输出信号的相关性进行相位加权，使信号在某个方向构成同相叠加，在其他方向构成相位抵消，然后完成信号的增益。
当体系发射端能够获取信道状况信息时（如TDD体系），体系会根据信道状况调整每个天线发射信号的相位（数据相同），以确保在方针方向抵达最大的增益；当体系发射端不知道信道状况时，能够选用随机波束成形办法完成多用户分集。
2 3种技能的优缺点及运用场景
空间复用能最大化MIMO体系的均匀发射速率，但只能取得有限的分集增益，在信噪比较小时运用，或许无法运用高阶调制办法（如16QAM等）。
无线信号在密布城区、室内掩盖等环境中会频频反射，使得多个空间信道之间的式微特性愈加独立，然后使得空间复用的效果愈加显着。
无线信号在郊区、农村地区，多径重量少，各空间信道之间的相关性较大，因而空间复用的效果要差许多。
对发射信号进行空时编码能够取得额定的分集增益和编码增益，然后能够在信噪比相对较小的无线环境下运用高阶调制办法，但无法获取空间并行信道带来的速率盈利。空时编码技能在无线相关性较大的场合也能很好地发挥效能。
因而，在MIMO的实践运用中，空间复用技能往往和空时编码结合运用。当信道处于抱负状况或信道间相关性小时，发射端选用空间复用的发射计划，例如密布城区、室内掩盖等场景；当信道间相关性大时，选用空时编码的发射计划，例如郊区、农村地区。这也是3GPP在FDD体系中引荐的办法。
波束成型技能在能够获取信道状况信息时，能够完成较好的信号增益及搅扰按捺，因而比较合适TDD体系。
根据文献［4］，波束成型技能不合适密布城区、室内掩盖等环境，因为反射的原因，一方面接纳端会收到太多途径的信号，导致相位叠加的效果欠安；另一方面，很多的多径信号会导致DOA信息预算困难。
3 二重接纳分集技能的数据速率进步效果
3G（WCDMA）室内空间二重分集接纳的实测数据速率，也可阐明多天线效果。室内散布空间二重分集接纳如图4所示。
从表1可看出室内掩盖，二重分集接纳速率进步2倍以上。
相关的规划规划人员应该考虑在大楼内建3G基站，该花的钱，如基站主设备、物业、管道、基房、配套电源及空调等等加起来恐怕不会少于10万元，但只是短少一路主馈线（200 m 0.6万元）不能用于分集（留意，原2天线1~2之间8 m没有分集），现改为分集，使得体系数据容量翻倍。
4 不强不弱的均匀信号掩盖对数据速率的影响
在3G/4G技能中，MIMO技能理论上为数据完成高阶调制，可是在实践掩盖区内信号太强或太弱都不或许完成数据高阶调制，只要不强不弱的均匀信号才干选用数据高阶调制，然后得到数据速率的进步。
4.1 泰尔实验室实测数据［5］
泰尔实验室实测WLAN（OFDM）数据速率与场强联系见表2。
4.2 A8 Super Wi-Fi设备功能
京信公司无线传输与接入事业部供给的A8 Super Wi-Fi设备功能见表3。
实践工程为了90%无线掩盖区可接入体系，应有8dB暗影式微储藏，因而其掩盖电平对应数据速率应如表3所示。
4.3 定论
从表2和表3可看出当接纳机输入电平为-82dBm时，数据速率仅为6 Mbit/s，当接纳机输入电平为-65dBm时，数据速率抵达54 Mbit/s，数据速率进步9倍，阐明未来LTE基站鸿沟电平应取-75dBm，而不是2G年代的-85dBm。
5 未来MIMO天线建造形式
将或许有2种天线建造形式：即2G/3G年代的宏基站天线建造形式和散布式天线建造形式。
5.1 宏基站天线建造形式
宏基站天线建造形式如图5所示，将MIMO天线放在3扇区中心的30 m高塔上。图6示出的是宏基站掩盖信号电平散布示意图。
5.2 散布式天线建造形式
图7示出的是文献［3］给出的建造形式。图7中1+6个近远端掩盖规模等于1个宏基站掩盖规模。掩盖区内采纳小功率、多天线的形式进行掩盖。天线挂高不宜过高（8m左右）；室外天线口功率为15~30dBm；市区天线掩盖半径在150 m以内。
无线区域中心地理位置坐落片区中心，射频拉远远端机以无线区域中心为圆心向各个方向拉远掩盖。
比较图6和图8能够发现：选用散布式天线建造形式能够得到不强不弱的信号掩盖，根据文献［3］和［5］，数据速率将进步3倍以上，因而，MIMO应选用散布式天线建造形式。选用当时3G的宏基站天线建造形式时，最大问题是掩盖区内信号电平散布极不均匀，信号功率按间隔四次方衰减，掩盖区内有一半区域（信号电平为-75~-85dBm）不能供给高速率数据，此刻需很多的中继拉远设备（无线或有线光纤拉远设备）来掩盖信号暗影区，才干确保95%区域信号电平抵达-75dBm以上，否则会回到2G年代只能供给低速率数据。
6 当时密布城区运用智能天线问题评论
上文说到MIMO技能有波束成型和分集，它们最大差异是前者的直列阵子相关性很强，直列阵子之间间隔在0.5个波长之内。后者直列阵子相关性很差，阵子之间间隔在10个波长之上称为空间分集或用交叉极化天线来抵达分集效果。那么当时TD-SCDMA在密布城区运用规范的垂直极化智能天线效果怎么，其实早就发现问题，实践还不如将垂直极化天线阵（8列垂直极化天线阵）换成交叉极化天线阵（4×2交叉极化天线阵）。此刻智能天线效果被弱化，分集效果加强，这便是TD-SCDMA有8通道分集，其间4通道+45°与别的的4通道-45°完成交叉极化二重分集。
主张关于密布城区，每个扇区选用四重分集（4×4 MIMO天线）。
可将当时的2 W 8通道，减为10 W 4通道，用交叉极化分集和空间分集联合运用，完成4通道分集，取得增益6dB。这样撤销3扇区基站共24（3×8）个塔放被， 将27（3×9）根射频馈线减为12（3×4）根，81（3×3×9）个防水接头减为12（3×4）个。关于郊区、农村地区，多径重量少，各空间信道之间的相关性较大，因而可用垂直极化6（或4）列智能天线，不主张运用交叉极化智能天线。
