MIMO系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个 通道，如图3-37所示。
发射天线
R1(K) C1(K)
接收天线
信 源
SI(K)
空 时 编 码
CM(K)
天 线 阵
RM(K)
空 时 编 码
信 宿
图3-37
MIMO系统原理
传输信息流S（k）经过空时编码形成M个信息子流 ，这M个子流由M个天线发送出去，经空间 信道后由N个接收天线接收，多天线接收机能够利用先进 的空时编码处理技术分开并解码这些数据子流，从而实现 最佳处理。MIMO是在收发两端使用多个天线，每个收发天 线之间对应一个MIMO子信道，在收发天线之间形成 信道矩阵H，在某一时刻t，信道矩阵如（式3-34）所示。
MIMO技术的应用方案 3.9.2 MIMO技术的应用方案
前面分析指出MIMO技术优势明显，但对频率选择性衰 落无能为力，而OFDM技术却有很强的抗频率选择性衰落的 能力。因此将两种技术有效整合，便成为最佳的实用方案 ，如图3-38所示。图中，数据进行两次串并转换。首先将 数据分成N个并行数据流，将这N个数据流中的第n（n [1 ，N]）个数据流进行第二次串并转换成 L个并行数据流， 分别对应L个子载波，接着对这L个并行数据流进行IFFT变 换，再将信号从频域转换到时域，然后从第 n（n [1， N]）个天线上发送出去。这样共有NL个M-QAM（正交振幅 调制）符号被发送。整个MIMO系统假定具有N个发送天线 ，M个接收天线。在接收端第m（m [1，M]）个天线接收
在实际的通信环境中，信号往往是通过周围物体的多 次反射和散射才到达接收天线的，这被称为径，信号的多 径传送会产生多径干扰，从而引起信号的衰落，因而一直 被认为是不利信号准确传输的有害因素。克服的方法是采 用分集的方法——它含有“分散”和“集合”二重含义， 一方面它将载有相同信息的几路信号通过相对独立的途径 （利用多发射天线）分散传输，另一方面设法将分散传输 到接收点的几路信号最有效地收集起来（利用多接收天 线），因为安排恰当的多副天线提供的多个空间信道，不 会全部同时受到衰落，因此有降低信号电平的衰落幅度的 作用，具有优化接收的含义。
MIMO技术原理 3.9.1 MIMO技术原理
MIMO技术的实质是为系统提供了空间复用增益和空间 分集增益。 信号在传送中遇到物体发生反射和散射，产生多条路 径，MIMO技术将这些路径变为传送信息子流的“虚拟信道 ”。在接收端可用单一天线，也可用多个天线进行接收， 当然每个接收天线接收到的是所有发送信号与干扰信号的 叠加，MIMO的空时解码系统利用数学算法拆开和恢复纠缠 在一起的传输信号并将它们正确地识别出来。
3.9 多入多出 (MIMO)技术
学习目标
掌握多输入多输出系统（MIMO）的基本原理 掌握多输入多输出系统（MIMO）的核心技术与应用方案
3.9 多入多出 (MIMO)技术
3.9.1 MIMO技术原理 3.9.2 MIMO技术的应用方案
MIMO（Multiple Input-Multiple output）即多入 多出技术，是无线通信领域智能天线技术的重大突破，它 扩展了一维智能天线技术，具有极高的频谱利用率，能在 不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量，且信道可 靠性大为增强，是新一代无线通信系统（即所谓的Beyond 3G/4G）采用的核心技术之一。目前，世界各国学者都在 对MIMO的理论、性能、算法和实现等各方面进行着广泛的 研究，MIMO技术已成为通信技术发展中最为炙手可热的课 题。 MIMO是指信号系统发射端和接收端，分别使用了多 个发射天线和接收天线，因而该技术被称为多发送天线和 多接收天线（简称多入多出）技术，它可看着是分集技术 的一种衍生。
固定N，令M增大，使得 量的近似表达式：
，这时可以获得到容 （式3-36）
det代表行列式， 代表M维单位矩阵， 表示的共扼转 置。 从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数的增加而 线性增大。即可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量， 在不增加带宽和天线发射功率的情况下，频谱利用率可以成 倍地提高，充分展现了MIMO技术的巨大优越性。
到的第l（l [1，L]）个子载波的接收信号为： （l=1，….，L） （式3-37） 其中 是第l个子载波频率上的从第n个发送天线到第m 个接收天线之间的信道矩阵，并且假定该信道矩阵在接收端 是已知的， 是第l个子载波频率上的从第n个发送天线发送 的符号， 是第l个子载波频率上的从第m个接收天线接收到 的高斯白噪声。这样在接收端接收到的第l个子载波频率上 的N个符号可以通过V-BLAST算法进行解译码，重复进行L 次 以后，NL个M-QAM符号就可以被恢复出来。
（式3-34） 其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。
M个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一个频 带，因而并未增加带宽。若各发射天线间的通道响应独立 ，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行 的信道独立传输信息，必然可以提高数据传输速率。对于 信道矩阵参数确定的MIMO信道，假定发射端总的发射功率 为P，与发送天线的数量M无关；接收端的噪声用 矩阵 n表示，其元素是独立的零均值高斯复数变量，各个接收 天线的噪声功率均为 ；ρ为接地端平均信噪比。此时 ，发射信号是M维统计独立，能量相同，高斯分布的复向 量。发射功率平均分配到每一个天线上，则容量公式为： （式3-35）
1 S/P 1 1至L 2……来自OFDM 调制L
1 2 信源 二进制 信号 映 射（MQAM） S/P 1至N S/P 1至L 2
……
OFDM 调制
L
图3-39 MIMO+OFDM实现框图
…… …
1 N S/P 1至L 2 L OFDM 调制
MIMO+OFDM系统，通过在OFDM传输系统中采用天线阵列 来实现空间分集，以提高信号质量，是MIMO与OFDM相结合 而产生的一种新技术。它采用了时间、频率结合空间三种 分集方法，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增 加。深刻揭示了MIMO+OFDM系统的技术原理与理论基础。