多天线与MIMO技术的发展和应用杉杉北京中网华通设计咨询有限公司，普洱665000摘要；本文介绍了多天线技术的概念和核心技术，并重点介绍了MIMO技术的特点，在现有通信网种的应用。

关键词：多天线；MIMO ; LTE目录一、弓丨言 (3)二、概述 (3)1 多天线技术的定义 (3)2 多天线技术的分类 (3)2.2.1. 天线分集技术 (3)222.波束赋型技术 (4)2.2.3. 空分复用技术 (4)三、MIMO技术 (4)1 MIMO技术的定义和原理 (4)3.1.1. MIMO 技术的定义 (4)3.1.2. MIMO技术的原理 (5)2 MIMO技术的优点 (5)3.2.1. 提高信道容量 (5)3.2.2. 提高信道的可靠性 (6)3 MIMO技术的缺点 (6)四、MIMO 系统的分类 (6)1 按照收发天线的数目进行分类 (6)4.1.1. SISO (6)4.1.2. MISO (6)4.1.3. SIMO (7)4.1.4. MIMO (7)2 按照实现方式进行分类 (7)4.3.1. 空间复用 (7)4.3.2. 空间分集 (8)4.3.3. 波束赋型 (8)4.3.4. 开环传输 (8)4.3.5. 闭环传输 (8)五、MIMO技术的应用 (8)1 MIMO技术在3G中的应用 (8)2 MIMO 技术在WIMAX中的应用 (9)3 MIMO技术在LTE中的应用 (9)5.3.1. LTE的MIMO 模式协议 (9)5.3.2. LTE主要支持的多天线类型.......................................... 10......六、小结........................................................................ 10 ..........引言2004 年12 月在3GPP （The 3rd Gen eration Partn ership Project ，第三代合作伙伴计划）组织在多伦多会议上正式启动了UMTS （Universal Mobile Telecommunications System ，通用移动通信系统）技术标准的长期演进LTE（ Long Term Evolution），其中MIMO （Multi-Input& Multi-Output ，多输入多输出）作为其关键技术备受关注。

随着中国联通对MIMO技术的广泛应用，以及LTE-FDD商用网的大规模建设，要求我们无线通信设计人员必须清楚MIMO技术的概念和特点，以便于频谱资源和网络配置的规划。

本文将逐步介绍多天线技术的概念、MIMO技术特点，以及MIMO技术的应用和发展趋势。

概述1 多天线技术的定义多天线技术顾名思义，就是采用多个天线，区别于传统的无线通信系统，多天线技术是在无线链路的发射端或者接收端采用多个天线或者天线矩阵，也可在发射端和接收端同事采用多个天线或者天线矩阵，以实现频率复用，提高数据传输速率。

2 多天线技术的分类根据不同的实现方式分为天线分集，波束赋型和空分复用三种技术。

2.2.1. 天线分集技术分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常通过两个或更多的天线来实现。

同均衡器一样，它在不增加传输功率和带宽的前提下，而改善无线通信信道的传输质量。

在移动通信中，基站和移动台的接收机都可以采用分集技术。

目前常用的分集方式主要有两种：宏分集和微分集。

天线分集是指利用多天线间较低的无线信道的相关性，提供额外的（发射或接收）分集来对抗无线信道的衰落，是一种被用以恢复信号完整度的技术。

按天线类型可有空间分集，或极化分集。

分集天线在GSM系统中有广泛的应用，在基站间距较小、高楼林立的市区，由于安装环境受限，多采用体积较小的极化分集天线，而在开阔的郊区和农村，则多采用增益较高的空间分集天线。

222.波束赋型技术波束赋型(Beamforming)是一种基于天线阵列的信号预处理技术，指利用发射端或接受段的多根天线，以一定的方式形成一个特定波束，使目标方向上天线增益最大以及抑制/降低干扰。

因此，波束赋形技术在扩大覆盖围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。

波束赋形技术已经在TD-SCDMA系统中得到了成功的应用，在TD-LTE R8中也采用了波束赋形技术。

在TD-LTE R8的PDSCH传输模式7中定义了基于单端口专用导频的波束赋形传输方案。

TD-LTE R9中则将波束赋形技术扩展到了双流传输方案中，通过新定义的传输模式8引入了双流波束赋形技术，并定义了新的双端口专用导频与相应的控制、反馈机制。

2.2.3. 空分复用技术让同一个频段在不同的空间得到重复利用，称之为空分复用。

在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束。

通过空分复用，多个发射源或者接受站可以同时使用同一个频率，提高系统的频谱效率。

在实际的[1]通信工程里，空分复用通常和其它复用技术结合使用。

三、MIMO技术1 MIMO技术的定义和原理3.1.1. MIMO 技术的定义MIMO(Multiple-l nput Multiple-Output) 即多入多出技术，指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。

它能充分利用空间资源， 通过多个天线实现多发多收， 在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，达得更高的用户速率。

3.1.2. MIMO 技术的原理MIMO 系统发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去， 接收 端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。

其系统原理图 如下：2 MIMO 技术的优点无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。

每份信号都是一个空间流。

使用单输入 单输出（SISO ）的系统一次只能发送或接收一个空间流。

MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。

MIMO 技术的应用，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增加无线系统的覆盖围。

3.2.1. 提高信道容量MIMO 接入点到MIMO 客户端之间，可以同时发送和接收多个空间流，信道容量可以 随着天线数量的增大而线性增大，因此可以利用 MIMO 信道成倍地提高无线信道容量，在 不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。

3.2.2. 提高信道的可靠性利用MIMO 信道提供的空间复用增益及空间分集增益，可以利用多天线来抑制信道衰 落。

多天线系统的应用，使得并行数据流可以同时传送， 可以显著克服信道的衰落，降低误码率。

图1 : MIMO 系统原理图3 MIMO技术的缺点MIMO技术由于是多天线收发技术，与SISO相比具有很大的优势，同时也有缺陷：1）天线体积较大，重量较重，对安装空间要求较高；2）MIMO技术由于采用多进多出，所以其对应的馈线也比较多，施工难度大；3）MIMO技术受限于终端的成本和功耗，实现单个终端上行多路射频发射和功放的难度较大。

四、MIMO系统的分类1 按照收发天线的数目进行分类根据收发天线数目的不同，MIMO系统可以分为SISO（ SinglelnputSingleOutput 单输入单输出）、MISO （MultipleInputSingleOutput 多输入单输出）、SIMO （SingleInputMultipleOutput 单输入多输出）、MIMO 以及协作MIMO等多种方式。

4.1.1. SISOSISO是采用单天线发送和单天线接收的方式。

由香农定理可知，理论上单天线的信息容量受限于链路的SNR,容量每增加1bit/s/Hz，发射功率就需要增加一倍，比如从1bit/s/Hz增加到11bit/s/Hz，发射功率就必须增加约1000倍。

4.1.2. MISOMISO是采用多天线发送和单天线接收的方式，如下图所示。

下行方向上使用MISO时,表示基站采用多天线进行发射，基站所服务的所有终端用户都能获得发射分集增益，并且链路容量随着天线数目的增加而以对数方式提升。

根据天线发射信号的不同，MISO包括以下两种类型：＜1＞发射分集多根天线都发送相同的信号。

发射天线相互靠近时，接收侧接收到的信号较强。

但是由于天线位置较近，所以通路间相关性比较大，从而限制了分集增益。

＜2＞空时块编码多根天线不仅发送相同的信息，还发送具有相关性的不同数据块，这样不仅能够提升数据传输速率，也能够显著增加覆盖面和传输可靠性。

4.1.3. SIMOSIMO是采用单天线发送和多天线接收的方式，如下图所示。

这种方式下，基站所服务的所有终端用户都能够获得接收分集增益，并且链路容量随着天线数目的增加而以对数方式提升。

由于不同路径上的接收信号具有不同的空间特性和特征，因此，接收机可以采用交换分集或者最大比合并方式进行接收，以便获取最大的SNR。

4.1.4. MIMOMIMO是采用多天线发送和多天线接收的方式，如下图所示。

MIMO可以看成是双天线分集的扩展，而且有效使用了编码重用( Code Reuse)技术，即用相同的信道编码和扰码对多个不同的数据流进行调制。

MIMO系统中收发端各有多根天线，发射机和接收机之间采用不同天线配置的组合，可以大大提高数据传输速率，同时也可以提高系统容量。

2 按照实现方式进行分类根据实现方式的不同，MIMO可以分为空间复用、空间分集、波束赋形等类型；根据接收端是否反馈信息状态信息，MIMO可以分为闭环和开环两种类型。

4.3.1. 空间复用空间复用指系统将高速数据流分成多路低速数据流，经过编码后调制到多根发射天线上进行发送。

由于不同空间信道间具有独立的衰落特性，因此接收端利用最小均方误差或者串行干扰删除技术，就能够区分出这些并行的数据流。

这种方式下，使用相同的频率资源可以获取更高的数据传输速率，意味着频谱效率和峰值速率都得到改善和提高。

4.3.2. 空间分集空间分集指将同一信息进行正交编码后从多根天线上发射出去的方式。

接收端将信号区分出来并进行合并，从而获得分集增益。

编码相当于在发射端增加了信号的冗余度，因此可以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，使传输可靠性和覆盖面增加。

分集技术主要用来对抗信道衰落。

4.3.3. 波束赋型波束赋形是通过对信道的准确估计，采用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，降低用户见的干扰。

4.3.4. 开环传输接收端不反馈任何信息给发射端，因而发射端无法了解信道状态信息时，信息的传输方式称为开环传输模式。