前言
发生了什么样的技术变化？
多路输入多路输出（MIMO）技术作为一种关键的性能增强技术至今已在WLAN（802.11）系统中运用五年多了。您可能会问，“MIMO系统到底有什么新颖之处，值得我们如此热烈地讨论？”
答案就在于无线视频。无线视频正迅速地驱动MIMO系统进入平板电脑和其他移动平台，并正在把WLAN系统的性能推向一个新的高度。用户也期待基于WLAN技术流畅、可靠的视频传送。WLAN以往的应用主要是基本的数据传输（电子邮件、网上冲浪、文件传输等），但是视频传送是完全不同的应用，视频传送需要低延时和稳定高速的数据速率来确保图像的流畅。
MIMO技术在视频传送中的应用
当今，大量的设备正在使用802.11 MIMO 系统进行视频传送。典型的应用有平板电脑、笔记本电脑、甚至是智能手机与智能电视的无线连接。此外，802.11 MIMO 系统正日益广泛地被用于家庭影音环境，比如说：将视频内容从一部数码录像机（DVR）传输到电视机或电视机顶盒。这种传输方式的好处是能避免特殊的线路连接和复杂的安装过程。
基于 WiFi无线视频内容共享的主要协议包括：
· Miracast – WiFi Alliance®支持的点对点网络802.11无线标准，它具有整合1080P 视频和Dolby® 5.1音频的能力。安卓（Android）4.2就内置了对Miracast的支持功能。
· AirPlay®– Apple公司的专利技术，能由智能手机或平板电脑向连接 Apple TV装置的电视机传送视频、音频和图片。
· WiFi Direct – 与 Miracast相似的、能整合视频和音频信号的点对点无线标准。安卓4.0以上系统都支持此协议。
正是由于上述标准化工作的开展，用MIMO技术增强的802.11技术正在迅速成为移动设备和固定设备之间传送高清视频内容的基本技术。
MIMO技术在提高可靠性、频谱效益和吞吐量方面的应用
MIMO技术能用于优化无线系统的关键性能。根据不同的实施方式，它能改善以下三种系统性能中的任意一种：
· 可靠性 – 确保正在被传输的数据能正确接收
· 频谱效率 – 提高特定带宽内的数据传输量
· 吞吐量 – 提高无线系统的数据传输速率
系统设计者可选择在牺牲一个参数性能（如可靠性）的前提下充分优化另一个参数（如吞吐量），或者以较低的程度对全部参数（如吞吐量和可靠性）进行优化。
图1中假设有一个最佳的高频谱效益MIMO信道（一个具有奇异值平坦分布特性的信道矩阵），我们发现，MIMO系统能以低得多的单位信息接收能量获得较高的频谱效益。
图1：频谱效益与信息位能量（Eb/N0，按噪音谱密度归一化）的关系
此图对四种不同MxM值的MIMO（多路输入多路输出）系统进行了比较，并假设采用了有奇异值平坦分布特性的信道矩阵（资料来源：MIT Lincoln Lab Journal，2005年第15期）。
MIMO技术实施时，用户可使用较高阶数的系统（如更多的发射机和接收机）以提高覆盖范围、可靠性和处理能力（bits/sec/Hz）。当然，这通常会需要更多的天线布置空间以及更大的能耗。图2表明随着系统中发射机/接收机数量的增加，处理能力也得到相应提高。
图2：高阶数MIMO系统应用对吞吐量的影响
在图2中您将注意到随着MIMO阶数的提高，系统的数据处理能力（bits/sec/Hz）变得更大，这意味着更高的数据传输速率，或者可增加更多的用户数量。另外，图中也可以看出，数据容量的显著提高发生在1级无线设备升级为4级无线设备的过程中，之后，数据容量的提高速率逐渐降低。
考察当前市场上已有的WLAN MIMO技术解决方案后，我们将发现智能手机和更小型化的移动装置几乎都是单一输入与单一输出（SISO）的解决方案。这主要归因于天线空间和功耗。一个MIMO系统想要正常工作，各天线上的信号就需要不相关，不相关便意味着信号的增加不能以一种信号叠加后会产生峰值的形式进行。在实际应用中，天线与天线间的隔离度需保持在 6 dB左右以确保将实际系统中信号相关性控制在最低程度。这意味着天线与天线之间必须有一定的间距，而像智能手机等装置中往往没有多少空间，尤其是考虑到智能手机所必须支持的多种蜂窝通信和无线互联技术的频段时更是如此。
平板电脑等较大的装置则能容纳更多的天线和更大的天线间距。截至到本文发稿时，市场上已推出几款 2x2 WLAN MIMO型平板电脑，这些产品能利用MIMO技术带来的更高的数据传输可靠性和吞吐量。
笔记本电脑由于能保证较大的内部天线空间（相当或大于平板电脑）并配备了较大容量的电池（能支持更多的发射机，也不会降低电池寿命），所以一般都是 2x2 或 3x3 的系统。
最后，4x4 WLAN MIMO系统也已开始出现，其初步应用瞄准了机顶盒的视频传送性能，因为机顶盒能从这种4x4 MIMO系统所提供的更好的传输可靠性和更大的数据容量中真正受益。
MIMO原理
传统的无线系统采用单一输入与单一输出（SISO）的设置方法，即在无线连接的两个终端都使用一个发射机和一个接收机。数字信号处理领域的最新研究成果为我们带来了多天线技术，它能显著地提高数据吞吐量和改善无线连接的稳定性。这些多天线技术就是我们称为MIMO（多路输入多路输出）的技术，它在无线连接的各个终端都使用多个发射机和接收机，在一定的信道条件下，能获得比SISO高出几倍的吞吐量。
MIMO技术仅指出了特定装置的天线数量。MIMO定义中的“输入”和“输出”二词分别表示一个无线信号在空间的发射和接收。而且，这能独立地应用到上行和下行两种链路中。
从这个总的定义出发我们可以推理出更多特殊的多天线应用实例，如：多重输入单一输出（MISO），单一输入多重输出（SIMO），以及多路输入多路输出（MIMO）。这些实际应用可用图3表示。SIMO系统由于配备多个接收天线能形成接收分集，而MISO系统因为有多个发射天线，所以能形成发射分集。MIMO系统则综合了SIMO和MISO两种应用的特点，它能同时利用发射分集和接收分集特性来改善无线连接的稳定性，同时使用多个可辨别的空间信道来提高无线连接的吞吐量。本文将集中讨论MIMO系统。
图3：MISO、SIMO和MIMO构架
MIMO技术根据信道条件可分为两种工作模式，即空间复用模式（SM，Spatial Multiplexing）和空-时分组编码（STBC，Space-Time Block Coding）模式。MIMO装置会根据信道条件在SM和STBC两种模式中动态切换以实现最佳性能。
空间复用模式
空间复用模式（SM）的基本原理是用每根天线发送相互独立的数据。从各天线发送的数据会在接收机端经过适当的信号处理后被分离，这种处理通常会包含线性去相关检测和非线性干扰解除两个操作。
我们平时提到MIMO时通常是在说SM工作模式，因为这种模式具有显著提高无线连接吞吐量的能力。然而，SM工作模式的有效性需依赖一定的信道条件和信噪比（SNR）。多径信道通常要求较高的非相关性。与SISO传输方式相比，对于相同的调制和编码方法，多径信道信噪比（SNR）要求也更高。
IEEE 802.11标准定义了两个SM技术：直接映射和空间扩展。使用直接映射技术时，每个MIMO数据流都通过一个发送链路传送，数据流与传送链路之间是1对1的映射关系。使用空间扩展技术时，MIMO数据流先按信道评估情况用一个矩阵复用，然后再通过不同的发送信道予以传输。图4直观地表示了直接映射技术和空间扩展技术的特点。
图4：直接映射和空间扩展
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