有限的帶寬和不斷增加的新的無線服務(wù)的需求為通信領(lǐng)域新技術(shù)的采用開辟了道路，這些非傳統(tǒng)技術(shù)有效提升了數(shù)據(jù)容量,。新采用的這些技術(shù)中的一種就是利用多天線設(shè)計的多輸入,、多輸出（MIMO）系統(tǒng)架構(gòu)。MIMO利用了發(fā)送和接收天線之間的空間分集技術(shù)——由信號衰落和多徑環(huán)境引起的多信號路徑產(chǎn)生——來增加數(shù)據(jù)吞吐量而無須額外的增加帶寬,。但相比傳統(tǒng)的單流架構(gòu)MIMO,，系統(tǒng)復(fù)雜度增加了許多，帶來了更大的測試挑戰(zhàn),，需要獨(dú)特的設(shè)備和測試方法,。

本文介紹了MIMO測量的不同種類，包括噪聲和干擾對于信道的損害,，并提供一些圖片示例方便大家對于測量結(jié)果的理解,。

對于新近的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，高數(shù)據(jù)吞吐量是最基本的要求,，這些新標(biāo)準(zhǔn)MIMO都有參與，包括IEEE802.11nWLAN,、IEEE802.16e移動WiMAX Wave 2和3GPP長期演進(jìn)（LTE）,。這些新系統(tǒng)都結(jié)合了MIMO和OFDM或者OFDMA（正交頻分多址接入）的采用，來實現(xiàn)在不增加信道帶寬的前提下增加數(shù)據(jù)吞吐量,。

　SISO與MIMO比較

在傳統(tǒng)的單輸入,、單輸出（SISO）通信系統(tǒng)中（如圖1a所示），例如,，傳統(tǒng)的IEEE802.11a/b/g無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）系統(tǒng),，一個無線鏈路采用了單發(fā)射器和單接收器。也許會在每個通信鏈路終端上采用多個天線,，但在同一時刻只有一套天線被采用,，并只有一個載波傳輸單流的數(shù)據(jù)。在理想的通信信道中,，無線信號從發(fā)射器到接收器只通過單一路徑傳輸,，但無線信道中的障礙物（比如樓宇和各種地形）和移動影響產(chǎn)生了多徑效應(yīng)，因此,，接收器會接收到多個信號,。反射的信號由于相比直接傳輸?shù)男盘杺鞑ヂ窂礁L，會受到衰減和延遲的影響,。因為傳輸路徑的不同,，這些反射信號的相位也各不相同,。因此，接收機(jī)信號的重建面臨難度,，會造成接收信號強(qiáng)度的波動,。較強(qiáng)的多徑效應(yīng)會降低吞吐量或者造成數(shù)據(jù)丟失。



圖1傳統(tǒng)的SISO架構(gòu)的無線信號鏈路（a）,，采用一對天線在同一時間進(jìn)行發(fā)射和接收而MIMO系統(tǒng)（b）同時采用多信號和多天線

因為在指定通信信道中,，OFDM通常與MIMO進(jìn)行組合來增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐量，所以在探討MIMO概念之前理解OFDM是非常重要的,。例如,，OFDM在IEEE802.11g(Wi-Fi)和IEEE 802.16e WiMAX系統(tǒng)中得到了采用。在MIMO的基礎(chǔ)上,，采用OFDM可以進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)吞吐量,，而無須增加帶寬或改變調(diào)制階數(shù)——比如從16QAM變成 64QAM系統(tǒng)。

采用OFDM調(diào)制的無線信號本質(zhì)上是由一系列相互正交的子載波構(gòu)成的,，這些子載波彼此形成了最佳的隔離,，因此一個調(diào)制后的子載波處于最大功率時，其臨近調(diào)制后子載波正好處于過零點(diǎn)或功率最小處,，而一些子載波作為保護(hù)頻帶來實現(xiàn)隔離并防止臨近信道干擾,。為了增強(qiáng)魯棒性，許多通信標(biāo)準(zhǔn)采用的OFDM采用了小衰減間隔,，讓多路信號分量隨時間衰減,，這樣這些信號就不會對下一個接收機(jī)收到的傳輸符號產(chǎn)生干擾。

通過采用反向傅里葉變換對OFDM的子載波進(jìn)行數(shù)字信號處理,，可將其結(jié)合到一個信號流里面?zhèn)鬏敳⒖苫謴?fù)原信號,。因為保留多流信號的相對相位和頻率關(guān)系，這些信號流就可以并行的在單一信道傳輸,，所以就可以實現(xiàn)在不增加帶寬的前提下提高數(shù)據(jù)吞吐量,。

與SISO通信系統(tǒng)相比，MIMO系統(tǒng)（圖1b）同時采用多無線信號和多天線,，多個數(shù)據(jù)流在同一通信信道傳輸,。這些多路的數(shù)據(jù)流由媒體接入控制（MAC）層在通信鏈路兩端進(jìn)行協(xié)調(diào)。MIMO系統(tǒng)不需要天線的對稱排列,，例如,，兩個發(fā)射要配備兩個接收（2×2）或者四個發(fā)射要配備四個接收（4×4），可以進(jìn)行“不平衡”配置,，例如四個發(fā)射配備三個接收的4×3配置,。

要增加SISO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，需要更為復(fù)雜的調(diào)制方式,，或者增加帶寬,，或進(jìn)行兩者的結(jié)合,。加倍SISO系統(tǒng)吞吐量最簡單的方法是將帶寬加倍。要增加MIMO系統(tǒng)的吞吐量,，發(fā)射器,、接收器和相應(yīng)天線的數(shù)量需要增加。通過采用多天線和信號傳播路徑的空間多路技術(shù),，MIMO系統(tǒng)可以在不增加信道帶寬的前提下增加大概3.5倍的吞吐量,。

MIMO系統(tǒng)利用接收信號的變更來增加數(shù)據(jù)吞吐量，接收到的信號被看作未知信號（發(fā)送的符號）的聯(lián)立方程,。多路信號路徑的多樣性變化讓這些聯(lián)立方程解決的更加簡單,，并提升了吞吐量。

SISO的信道容量與MIMO系統(tǒng)相比如何呢,？香農(nóng)定律指明了SISO通信系統(tǒng)的信道吞吐量為： C=BLog2(1+S/N)

式中：C為信道容量（單位b/s）,B為信道帶寬（單位Hz）,S為帶寬上總的信號功率（單位W或者V2）,N為帶寬上總的噪聲功率（單位W或者V2）,。當(dāng)該公式用于MIMO應(yīng)用時：C=ABlog2(1+S/N)

式中：A為發(fā)射天線的數(shù)量。

該等式指出了MIMO系統(tǒng)中發(fā)射天線數(shù)量與信道容量的直接關(guān)系,。一個MIMO系統(tǒng)在同一物理信道上利用空間復(fù)用技術(shù)用多天線傳輸多路數(shù)據(jù)流,，數(shù)據(jù)流在不改變符號速率的情況下在多個發(fā)射機(jī)上進(jìn)行發(fā)送。通過增加更多的發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線,，系統(tǒng)的吞吐量在帶寬不變的情況下得到提升,。

為MIMO系統(tǒng)建模必須考慮多數(shù)據(jù)流的數(shù)量，包括到達(dá)接收機(jī)的直接和反射信號,。按照傳統(tǒng)的方法,，將發(fā)射器分別表示為Tx1，Tx2,，…,，Txn,，將接收機(jī)表示為Rx1,，Rx2，…,，Rxn,，一個MIMO通信系統(tǒng)可由一個矩陣信號向量hxy的形式表示，其中x表示發(fā)射機(jī)的數(shù)量,，y表示接收機(jī)的數(shù)量,。例如，h21表示兩個發(fā)射機(jī)和一個接收機(jī),，而h22表示兩個發(fā)射機(jī)和兩個接收機(jī)（如圖2所示）,。通過這種方法，一個MIMO信道可以這樣建模：y=H*x+n

式中：y為接收信號向量,，H為信道矩陣(hxy信號元素),，x為發(fā)射信號向量,，n為噪聲向量。