MIMO

多输入多输出技术（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是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，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

图1 MIMO系统的一个原理框图

图1

图1是MIMO系统的一个原理框图。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。根据空时映射方法的不同，MIMO技术大致可以分为两类：空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用一根发射天线n 根接收天线，发送信号通过n 个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n 根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时分组码（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技术。STBC是基于发送分集的一种重要编码形式，其中最基本的是针对二天线设计的Alamouti方案，具体编码过程如图2所示。

图2　Alamouti 编码过程示意

图2

可以发现STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天线上面要传输的信号矢量相互正交，如图2-19中x 1和x 2的内积为0，这时接收端就可以利用发送端信号矢量的正交性恢复出发送的数据信号。使用STBC技术，能够达到满分集的效果，即在具有M根发射天线N 根接收天线的系统中采用STBC技术时最大分集增益为MN。波束成形技术是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效提高天线增益。为了能够最大化指向用户的波束的信号强度，通常波束成形技术需要计算各个发射天线上发送数据的相位和功率，也称之威波束成形矢量。常见的波束成形矢量计算方法有最大特征值向量、MUSIC算法等。M根发射天线采用波束成形技术可以获得的最大发送分集增益为M。空间复用技术是将要传送的数据可以分成几个数据流，然后在不同的天线上进行传输，从而提高系统的传输速率。常用的空间复用方法是贝尔实验室提出的垂直分层空时码，即V-BLAST技术，如图3所示。

图3　V-BLAST 系统发送示意

图3

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统是一项运用于802.11n的核心技术。

802.11n是IEEE继802.11bag后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。同时，专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。

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范围。

提高信道的容量

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。

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。

通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。

MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)

其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。

理论容量与天线数关系：

（1）图4-4所示的四条信道容量曲线的发射天线数量 都为4，以接收天线数量 为横轴，信噪比依次为0dB、5dB、10dB、15dB。从这四条不同的曲线我们可以得出结论：

图4-4

1．发射天线数量一定，信噪比不变时信道容量随着接收天线数的增多而增大，且增大的幅度越来越小。

2．发射天线和接收天线的数量均相同，信道容量随信噪比的增大而增大。

（2）图4-5所示的四条信道容量曲线的接收天线数量 都为4，以发射天线数量 为横轴，信噪比分别为0dB、5dB、10dB、15dB。从这四条不同的曲线我们可以得出结论：

1．接收天线数量一定，信噪比不变时信道容量随着发射天线数的增多而增大，增大的幅度会越来越小。

2．当发射天线数大于接收天线数时，信道容量增大的幅度会大幅度减缓，当 >10以后，信道容量基本上就没有多大变化。

由上述结论我们可以看到信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以在不增加带宽和天线发送功率的情况下利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，证明了MIMO信道系统理论的正确性。

实际上多输入多输出(MIMO)技术由来已久，早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。在20世纪70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是上世纪90年代由AT&TBell实验室的学者完成的。

1990年代，全世界无线通信领域均针对多天线系统进行研究，希望创作出能指向接收者之波束成型技术，亦即是所谓智慧型天线 —— 一种能使波束聪明地追踪接收者（即移动电话）的技术，如同有个人持着天线到处移动，就像一道自手电筒射出的光束可追踪一位在黑暗中移动的人一样。智慧型天线借由波束对其指向（亦即对目标接收者）的相长干涉（constructive interference）及同时间该波束对目标接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference）来增加信号增益，以实现上述智慧型天线的优点，并对于此发送单位上的多天线间，采用一较窄的天线间距来实现此波束。一般以发送信号之一半波长作为实体的天线间距，以满足空间上的采样定理且避免旁瓣辐射（grating lobes），亦即空间上的混叠。

波束成型技术的缺点乃是在都市的环境中，信号容易朝向建筑物或移动的车辆等目标分散，因而模糊其波束的集中特性（即相长干涉），丧失多数的信号增益及减少干扰的特性。然而此项缺点却随着空间分集及空间多工的技术在 1990 年代末的发展，而突然转变为优势。这些方法利用多径（multipath propagation）现象来增加数据吞吐量、传送距离，或减少比特错误率。这些型态的系统在选择实体的天线间距时，通常以大于被发送信号的波长的距离为实作，以确保 MIMO 频道间的低关联性及高分集阶数（diversity order）。

MIMO 此科技与平坦衰落信道（flat fading channels）兼用时最佳，以降低接收端信道均衡器之复杂度及维持接收端的低功率耗损，也因此 MIMO 多半与 OFDM 结合为复合技术。MIMO-OFDM同时为IEEE 802.16及 IEEE 802.11n HT（High-Throughput）的采用标准之一。WCDMA 的系统，如 HSDPA，亦进行将 MIMO 技术标准化的动作。

所谓的MIMO，就字面上看到的意思，是Multiple Input Multiple Output（多入多出）的缩写，大部分您所看到的说法，都是指无线网络讯号通过多重天线进行同步收发，所以可以增加资料传输率。

然而比较正确的解释，应该是说，网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线讯号在传送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合，因此接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的资料重新作组合，然后传送出正确且快速的资料流。

由于传送的资料经过分割传送，不仅单一资料流量降低，可拉高传送距离，又增加天线接收范围，因此MIMO技术不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传输速度，而且又不用额外占用频谱范围，更重要的是，还能增加讯号接收距离。所以不少强调资料传输速度与传输距离的无线网络设备，纷纷开始抛开对既有Wi-Fi联盟的兼容性要求，而采用MIMO的技术，推出高传输率的无线网络产品。

MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到 ，单天线衰落信道的平均误差概率为 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。

MIMO

分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被称为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。

根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

D-BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J. Foschini提出。原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，如图1.b所示，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。如图1.b所示，在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证D-BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M(发送天线数目)个发送时间间隔 ，那么burst的长度越小，这种浪费越严重。它的数据检测需要一层一层的进行，如图1.b所示：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b2……

另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。如图1.c所示，它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。

考虑到D-BLAST以及V-BALST模式的优缺点，一种不同于D-DBLAST与V-BLAST的空时编码结构被提出：T-BLAST。等文献分别提及这种结构。它的层在空间与时间上呈螺纹(Threaded)状分布，如图2所示。原始数据流被多路分解为若干子流之后，每个子流被对应的天线发送出去，并且这种对应关系周期性改变，与D-BLAST系统不同的是，在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送，而是所有天线均进行发送，使得单从一个发送时间间隔 来看，它的空时分布很像V-BALST，只不过在不同的时间间隔中，子数据流与天线的对应关系周期性改变。更普通的T-BLAST结构是这种对应关系不是周期性改变，而是随机改变。这样T-BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。

（spatial multiplexing）工作在MIMO天线配置下，能够在不增加带宽的条件下，相比SISO系统成倍地提升信息传输速率，从而极大地提高了频谱利用率。在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同，即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度，使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别，因此接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源。空间复用技术在高信噪比条件下能够极大提高信道容量，并且能够在“开环”，即发射端无法获得信道信息的条件下使用。Foschini等人提出的“贝尔实验室分层空时”（BLAST）是典型的空间复用技术。

（spatial diversity）：利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途径发送相同的资料，以增强资料的传输品质。

（beamforming）：借由多根天线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在欲传输的方向，增加信号品质，并减少与其他用户间的干扰。

（precoding）：预编码主要是通过改造信道的特性来实现性能的提升。

以上 MIMO 相关技术并非相斥，而是可以相互配合应用的，如一个 MIMO 系统即可以包含空分复用和分集的技术。

在MIMO系统理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多入多出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中，均假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。

另外实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。目前各大公司均在研制实验系统。

Bell实验室的BLAST系统[4]是最早研制的MIMO实验系统。该系统工作频率为1.9GHz，发射8天线，接收12天线，采用D-BLAST算法。频谱利用率达到了25.9bits/(Hz·s)。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在3G、4G应用尚有相当大距离。在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。在上述具体实验系统中，每一基台各设置2副发送天线和3副接收天线，而每一用户终端各设置1副发送天线和3副接收天线，即下行通路设置2×3天线、上行通路设置1×3天线。这样与“单输入/单输出天线”SISO相比，传输上取得了10～20dB的好处，相应地加大了系统容量。而且，基台的两副发送天线于必要时可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速率可以加倍。

朗讯科技的贝尔实验室分层的空时（BLAST）技术是移动通信方面领先的MIMO应用技术，是其智能天线的进一步发展。BLAST技术就其原理而言，是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”，在接收端对其进行“恢复”。利用BLAST技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路容量。BLAST技术证明，在天线发送和接收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效果，提高系统容量。理论研究业已证明，采用BLAST技术，系统频谱效率可以随天线个数成线性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，系统容量就能够得到不断提升。这也充分证明BLAST技术有着非常大的潜力。鉴于对于无线通信理论的突出贡献，BLAST技术获得了2002年度美国ThomasEdison（爱迪生）发明奖。

世界上第一颗BLAST芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，贝尔实验室研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了贝尔实验室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技术的芯片，这一芯片支持最高4×4的天线布局，可处理的最高数据速率达到19.2Mbps。该技术用于移动通信，BLAST芯片使终端能够在3G移动网络中接收每秒19.2兆比特的数据，现在，朗讯科技已经开始将此BLAST芯片应用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同时还计划授权终端制造商使用该BLAST芯片，以提高无线3G数据终端支持高速数据接入的能力。

AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi芯片组，并称其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技术的批量上市产品。AGN100使用该公司的多天线传输和接收技术，将现在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同时保持与所有常用Wi-Fi标准的兼容性。该产品集成两片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一种可伸缩结构，使制造商可以只使用一片RF芯片实现单天线系统，或增加其他RF芯片提升性能。该芯片支持所有的802.11 a、b和g模式，包含IEEE 802.11工作组推出最新标准(包括TGi安全和TGe质量的服务功能)。

Airgo的芯片组和目前的Wi-Fi标准兼容，支持802.11a, "b,"和"g"模式，使用三个5-GHz和三个2.4-GHz天线，使用Airgo芯片组的无线设备可以和以前的802.11设备通讯，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a设备通讯的同时还可以以108Mbps的速度和Airgo的设备通讯。

为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成MIMO通信链路。应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类：一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区，这一类可以称为集中式MIMO；另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区，可以称为分布式MIMO。

MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列。基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行MIMO通信。从系统结构的角度看，这样的MIMO系统与传统的单入单出(SISO)蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。

传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损耗，能够在小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角，提高通信服务质量。最近在MIMO技术的研究中发现，传统的分布式天线系统与MIMO技术相结合可以提高系统容量，这种新的分布式MIMO系统结构——分布式无线通信系统(DWCS)[8]成为MIMO技术的重要研究热点。

在采用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接。具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信，与基站建立了MIMO通信链路。这样的系统结构不仅具备了传统的分布式天线系统的优势，减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过MIMO技术显著提高了信道容量。与集中式MIMO相比，DWCS的基站天线之间距离较远，不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容量更大。总体上说，分布式MIMO系统的信道容量更大，系统功耗更小，系统覆盖性能更好，系统具有更好的扩展性和灵活性。

分布式MIMO的DWCS系统也带来了一些新问题。移动台和小区内邻近的天线建立的MIMO链路，由于基站不同天线的位置不同，它们距离移动台的距离不同，使得基站端的多个天线的信号到达移动台的延时也不同，因此带来新的研究问题。目前在这方面研究较多的是进行容量分析。除此之外的研究内容还包括：具体的同步技术、信道估计、天线选择、发射方案、信号检测技术等，这些问题有待深入研究。

MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容，B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中，正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中，如超宽带(UWB)系统、感知无线电系统(CR)，都在考虑应用MIMO技术。

随着使用天线数目的增加，MIMO技术实现的复杂度大幅度增高，从而限制了天线的使用数目，不能充分发挥MIMO技术的优势。目前，如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度，成为业界面对的巨大挑战。

MIMO技术同样也应用于雷达领域，主要通过多个天线发射不同的正交波形，同时覆盖较大空域，并利用长时间相干积累来获得较高的信噪比。

LTER8/R9版本中下行引入了8种MIMO传输模式，其中LTEFDD常用的MIMO传输模式为模式1到模式6（TM1～TM6），而模式7（TM7）和模式8（TM8）主要应用于TDLTE系统中，下面是不同传输模式的简要说明。

–模式1：单天线端口传输（端口0）。

–模式2：开环发射分集。

–模式3：大延迟CDD空间复用与开环发射分集自适应。

–模式4：闭环空间复用与开环发射分集自适应。

–模式5：多用户MIMO与开环发射分集自适应。

–模式6：单层闭环空间复用与开环发射分集自适应。

–模式7：单流波束赋形（端口5）与开环发射分集或单天线端口传输（端口0）自适应。

–模式8：双流波束赋形（端口7和端口8）或单流波束赋形（端口7或端口8）与开环发射分集或单天线端口传输（端口0）自适应。

图6所示是LTE系统中下行物理层处理过程，其中MIMO技术主要涉及到层映射和预编码两部分处理过程。层映射主要是根据传输的码字（单码字或双码字）和传输层数（取决于发射端天线数量），将数据流映射到不同的传输层。预编码的主要目的是使传输的信号更好地匹配信道条件，以获得更好的传输质量。预编码有基于码本和非码本两种方式。LTEFDD主要使用基于码本的预编码方式，主要是因为LTEFDD工作时上下行链路使用不同的频率，当有较大的双工间隔时，不能够直接使用反向信道的测量来估计正向信道的条件，所以主要依靠终端的反馈来辅助预编码。而TDLTE因为可以使用信道互易性，所以更容易实现基于非码本的预编码工作方式。下面对不同的传输技术进行简要的介绍。

图6 LTE系统下行物理层的处理过程

1．开环发射分集

当终端处于无线信号质量较差的场景或终端移动速度较快时，及时准确地掌握下行信道的质量状况较为困难，这时使用开环发射分集技术可以有效对抗信道衰落，提高接收端的信噪比。

开环发射分集工作方式采用单码字传输，也就是将一路数据流同时映射到2层或者4层进行传输，在接收端将多个发射天线的信号进行合并处理获得额外分集增益，具体的层映射过程参见下行链路传输技术中的物理信道处理。

在LTE系统中，下行链路使用OFDM技术，因此为了适应频域信号处理的要求而采用了SFTD（SpaceFrequencyTransmitDiversity，空频发射分集）工作方式。SFTD基于SFBC（SpaceFrequencyBlockCoding，空频块编码）技术。

对于Alamouti编码，一个缺点是当发射天线数目大于2时，理论上证明不存在正交的可用于全速率传输的编码方式，因此对于4天线开环发射分集，采用了结合SFTD和FSTD（FrequencySwitchTransmitDiversity，频率交换发射分集）的工作方式（如图8所示），实际上是将4个天线分为两组，分别为第一组天线（天线端口0、2）和第二组天线（天线端口1、3），每组天线内采用SFTD工作方式，天线组间采用FSTD工作方式。采用这种在天线间交织的工作方式，主要原因是天线端口0、1的参考信号密度较大，天线端口2、3的参考信号密度较小，使用天线分组交织的工作方式可以保证两组SFBC码块有较平衡的解码性能。开环发射分集预编码过程具体方案可以参见下行链路传输技术中的物理信道处理。

图7 两天线SFTD工作原理示意

图8 四天线SFTD+FSTD工作原理示意

2．空间复用

当终端处于无线信号质量较好且存在丰富的多径资源的场景时，则可以在MIMO系统的不同信道间共享高信噪比，为用户提供并行传输多路数据的服务，有效提高单用户的数据吞吐率和系统的吞吐量。假设MIMO系统中发射机有NT个发射天线，接收机有NR个接收天线，根据多天线理论可以知道，接收端的信噪比与单天线传输相比最大可以提高NT×NR倍，因此在功率和带宽不受限的条件下用户的数据传输速率可以得到显著提高。式（4）为单天线系统中的信道容量理论计算方法，当信噪比提高NT×NR倍时，利用原有的传输带宽，可以近似认为信道容量提高log2(NT×NR)倍。在实际应用时，MIMO信道数量可能会少于发射端或接收端最少天线数目，假设为M，M≤min{NT，NR}，则实际MIMO系统的信道容量可以参考式5的计算方法。3GPPR8/R9版本标准中制定了3种空间复用工作方式，分别是大延迟CCD空间复用、闭环空间复用和单层闭环空间复用。下面分别进行简单的介绍。

公式4

公式5

3．大延迟CDD空间复用

大延迟CDD空间复用技术是将CDD（CyclicDelayDiversity，循环延迟分集）技术和空间复用技术进行组合应用。CDD技术可以认为是分集技术的一种，通过在不同的天线端口人为增加不同的时延，相当于进行了信道无关的频率选择性预编码。这样的预编码可以使传输信号和实际信道匹配得较好，从而有效提高接收端信噪比，但也有可能使传输信号与信道矩阵失配而降低接收端信噪比，所以CDD技术的性能和时延的选择有直接关系。LTE系统中采用支持较大延迟的CDD技术，保证在一定的传输带宽内能够实现较大的信噪比变化，使得各层的信号能够有相近的信道质量，如果终端侧使用MMSE接收机就能够获得一定增益。CDD技术的工作原理如图9所示。

图9 两天线CDD技术工作示意

大延迟CDD空间复用技术采用双码字传输，也就是两路不同的数据流同时映射到2～4层进行传输，高信噪比保证了使用多码字时的传输质量，有效提高了数据传输速率。具体层映射过程参见下行链路传输技术中的物理信道处理。

大延迟CDD空间复用技术的预编码过程见式（6）。其中W是基于码本的预编码矩阵。因为大延迟CDD空间复用是一种开环空间复用，也就是终端反馈时可以反馈CQI（ChannelQualityIndicator，信道质量指示）和RI（RankIndicator，秩指示）信息，但不反馈PMI（PrecodingMatrixIndicator，预编码矩阵指示）信息，因此预编码矩阵W是由网络侧进行选择的。D是延时矩阵，U是单位矩阵，通过D和U矩阵可以实现不同层信号间的均衡。W、D和U矩阵的具体取值参考下行链路传输技术中的物理信道处理。

公式6

4．闭环空间复用

闭环空间复用可以采用单码字或双码字传输。单码字传输对应模式6，也就是单层闭环空间复用技术。双码字传输对应模式4，也就是常说的闭环空间复用技术。对于单层闭环空间复用技术，一路数据流映射到一层传输，对应于RI=1的情况，这时工作原理类似于基于小区公共参考信号的波束赋形，可以有效提高小区的覆盖能力。对于双层闭环空间复用技术，两路不同的数据流同时可以映射到2～4层，用于信噪比条件较好且终端移动速度较低的场景，可以有效提高数据传输速率。具体层映射过程参见下行链路传输技术中的物理信道处理。

闭环空间复用和开环空间复用的主要区别是闭环空间复用需要终端反馈PMI信息，PMI信息的内容是终端从给定的预编码矩阵中选择的一个合适的W矩阵。网络侧根据终端反馈的PMI信息选择合适的预编码矩阵W（可以与终端反馈的不同），这样可以提高预编码的准确程度，带来一定的增益。但是在终端移动速度较快时，反馈的延时可能造成反馈的信息相对滞后，反而会影响网络的性能。闭环空间复用的预编码过程见式7，具体的W矩阵取值参见下行链路传输技术中的物理信道处理。

公式7

5．多用户MIMO

空间复用技术的另一种应用方式就是在小区内的多个用户间实现高信噪比的共享，也就是所谓的MU-MIMO（Multi-UserMIMO，多用户MIMO）技术。MU-MIMO的工作原理是网络侧使用相同的时频资源同时向不同的用户发送数据，通过空间来分隔这些用户，也就是类似于SDMA（SpatialDivisionMultipleAccess，空分多址）接入技术。如图8所示，左侧是单用户MIMO工作方式，两路数据同时发送给某一个用户，显著提高该用户的峰值吞吐量；右侧是MU-MIMO工作方式，两路数据分别发送给不同的用户，有助于提高小区平均吞吐量。处于MU-MIMO工作方式的用户间信道有较大的相关性，因此需要保证配对用户间有较好的空间隔离度，需要通过较窄的传输波束对准不同的终端来降低对其他用户的干扰。因为这时信道间的相关性很强，也可以认为是RI=1波束赋形。对于MU-MIMO技术，最关键的是如何找到合适的配对终端，这些终端间需要有非常好的空间隔离性，以及同时发送数据的请求，这不仅对基站侧的调度器提出了很高的要求，同时也需要小区内有较多的用户时才可能满足MU-MIMO工作方式的场景。

3GPPR8/R9版本标准中定义的模式5工作方式是一种基于小区参考信号的MU-MIMO工作方式，同时基于码本传输，具体的预编码过程、码本选择和闭环空间复用过程一致，每个配对用户占用一层进行数据传输，总共可以同时传输两层数据，也就是有两个配对用户。

图10 多用户MIMO工作示意

6．波束赋形

波束赋形是TD-LTE系统中常用的多天线传输方式，需要基站配置天线阵元间距较小的阵列天线。波束赋形的操作和线性预编码过程非常相似，但工作原理有一定区别，波束赋形主要依靠信道间的强相关性以及电磁波的干涉原理，在天线阵列发射端的不同天线阵子处合理控制发射信号的幅度和相位来实现具有特定辐射方向的发射波形，这样有助于提高覆盖范围和特定用户的信噪比，同时也可以减小对其他用户的干扰。

3GPPR8/R9版本标准中定义的模式7和模式8分别对应单层波束赋形和双层波束赋形操作。波束赋形操作不需要终端进行特别的反馈，系统可以通过对终端的上行链路进行测量来确定下行链路发射信号的波束赋形参数，但是需要发射特定的基于终端信息的专用导频信号，使用专用导频信号可以减少公共导频信号的占用，保证在更多天线数目（如大于4个）情况下能够使用波束赋形技术。

对于R8/R9的LTE终端，主要配置为双天线，但是采用单发双收的工作模式。上行链路MIMO的工作方式主要包括以下几种：

–单天线传输：采用上行单天线传输方式，使用固定天线发送（端口0）。

–开环发送天线选择分集：采用上行单天线传输方式，终端选择天线进行上行传输。

–闭环发送天线选择分集：网络侧通过下行物理控制信道上承载的下行控制信息通知终端采用特定天线进行上行传输。

–上行MU-MIMO：网络侧能够根据信道条件变化自适应地选择多个终端共享相同的时频资源进行上行传输。

在3GPPR8/R9版本中，上行未使用空间复用技术，主要是考虑到射频实现复杂度高、MIMO信道非相关性实现较难、天线数量越多终端耗电越大、与其他无线通信系统（如GPS，蓝牙等）的干扰问题严重等因素。以射频实现为例，若要保证终端上行可以实现空间复用技术，一般情况下要求天线间至少要保证半个波长的空间隔离。假如此时上行传输使用2.6GHz的载波，空间隔离约为5cm，同市面的手持终端尺寸可比拟，相对容易实现；但是当载波低到1GHz以下，如700MHz时，半波长超过10cm，大于目前市面销售的一般手持终端的尺寸，所以对于1GHz以下的频率，实现手持终端的上行MIMO工作方式难度相对较大。

1．天线选择传输

采用单天线传输时，只能使用固定天线，但在实际情况下两个天线上传输的信号质量不完全相同，如果能够选择传输信号质量较好的天线，则可能获得一定的天线分集增益。目前天线选择有开环和闭环两种方式，具体使用哪种方式由网络侧配置。

–当终端不具备天线选择功能或网络侧未配置使用天线选择功能时，则终端使用单天线传输方式。

–当网络侧配置终端使用开环天线选择工作方式时，具体使用哪个天线传输由终端来决定。LTEFDD系统中一种可行的实现方式是终端交替使用不同的天线进行传输，以获得一定的天线分集增益；而TDLTE系统可以利用信道互易性获得上行信道质量的信息进而选择合适的天线进行传输。

–当网络侧配置终端使用闭环天线选择工作方式时，由网络侧控制终端使用哪个天线进行传输，终端按照网络侧最近下发的DCIFormat0信息获知具体的发射天线端口，具体过程见表1，通过特定的天线选择掩码对DCIFormat0信息后面增加的CRC校验比特进行加扰。

表1 终端发射天线选择掩码

终端发射天线选择

天线选择掩码（xAS,0，xAS,1，…，xAS,15）

终端天线端口0

<0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0>

终端天线端口1

<0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1>

2．多用户MIMO

R8/R9LTE终端在上行只支持单发双收工作方式，不可能实现上行单用户MIMO，因此在上行链路传输中，一种特殊的被称为虚拟MIMO的技术得到应用。当终端1与eNodeB间的空间信道和终端2与eNodeB间的空间信道不相关时，基站调度器可以为两个终端分配相同的时频资源，同时进行上行传输，也就是上行MU-MIMO。当小区有较多用户（例如有较多的VoIP用户）且基站有较多的接收天线时，上行MU-MIMO更容易实现，同时可以提高小区的平均吞吐量。工作于上行MU-MIMO工作模式下的终端采用相互正交的参考信号图案，以简化基站的处理难度。从终端的角度看，上行MU-MIMO与单天线传输的不同之处，仅仅在于参考信号图案的使用必须与其他终端配对。但从基站的角度看，确实是一个2×2的MIMO系统，接收机可以对这两个终端发送的信号进行联合检测。由于MU-MIMO的终端间使用相同的时间和频率资源，且空间信道之间很难完全不相关，所以可能会带来一定程度的用户间干扰，基站使用MMSE接收机可以有效减小这种干扰的影响。

在不同的应用场景下，MIMO系统可以有不同的解决和实现方案。基站调度器可以实时决定终端或网络侧使用哪种MIMO工作方式以获得最大的系统增益，也就是自适应MIMO。基站在选择MIMO工作模式时，主要考虑的因素包括终端的移动速度、秩、接收信噪比等。

目前3GPPR8/R9版本中的MIMO系统都具备模式内MIMO自适应功能，例如对于下行模式3，网络侧可以根据无线信道的变化情况以及秩的变化情况，自适应地在大延迟CDD空间复用和发射分集之间进行转换。MIMO系统也具备模式间自适应功能，也就是通过从模式3转换到模式2，可以实现大延迟CDD空间复用和发射分集之间的转换。模式内MIMO自适应实现简单，转换速度快；模式间的MIMO自适应需要RRC重配置过程，转换时间较长，但是可以在一定程度上节省一些系统资源。

多天线传输系统和基站的天线配置情况密不可分，想要实现特定的MIMO传输工作方式，需要合理的基站侧天线配置。下面对主要的MIMO工作方案对天线配置的要求进行简要介绍。

–发射分集技术要求至少在发射端有较低的空间相关性，因此在天线配置时至少要求在发射端使用正交的极化天线或有足够空间间隔的多个非级化天线，例如可以采用DIV（Diversity）或CLA（ClusterLinearArray）类型的天线配置。DIV天线阵列使用多个单极化阵子，彼此间有较大空间隔离（如4个波长）。CLA天线阵列中的阵子对的间距虽然很小（如0.5个波长），但是每个阵子对内是两个交叉极化阵子，通过使用这两个正交的极化阵子可以保证较低的空间相关性。

–空间复用技术要求在发射端和接收端都有较低的空间相关性，因此在天线配置时，在发射端可以使用正交的极化天线或有足够空间间隔的多个非级化天线，可以采用DIV或CLA类型的天线配置。

–波束赋形技术要求在发射端有较高的空间相关性，因此在天线配置时在发射端需要使用较小的天线间距，例如使用CLA和ULA（UniformLinearArray）类型的天线。CLA的阵子间距较小，可以使用相同极化方向的不同阵子实现波束赋形效果。ULA类型的天线由排列非常紧密的单极化阵子构成，所以非常适合波束赋形操作。

–MU-MIMO技术也要求在发射端有较高的空间相关性，所以一般可以使用ULA或CLA类型的天线。