發(fā)射端有多個天線，接收端有多個天線的信道稱為多輸入多輸出(MIMO)信道，而SISO信道在發(fā)射端有一個天線，在接收端有一個天線。MIMO信道表示如圖1所示。

MIMO系統(tǒng)的主要優(yōu)點是通過分集獲得更高的可靠性和通過空間復(fù)用獲得更高的數(shù)據(jù)速率。這兩個概念在MIMO系統(tǒng)中同時使用。

在分集系統(tǒng)中，相同的信息通過多個發(fā)射天線傳輸，并在多個接收天線上同時接收。衰落以來每一對傳輸和接收天線之間的聯(lián)系被認(rèn)為是獨立的,相同的信息經(jīng)過不同的路徑,如果一條路很弱,信息通過其他路徑的子載波可能是好的,因此,準(zhǔn)確檢測信息的概率增加。

在空分復(fù)用中，不同的信息可以在多個天線上同時傳輸，類似于OFDM信號的思想，從而提高系統(tǒng)吞吐量或信道容量。

圖1 MIMO信道

當(dāng)基帶信號帶寬遠(yuǎn)小于信道的相干帶寬時，信號經(jīng)歷平坦衰落；反之，當(dāng)基帶信號帶寬很大，跨過了頻譜的零點，則信號經(jīng)歷頻率選擇性衰落。

① 頻率平坦MIMO信道

假設(shè)h_ji是一復(fù)數(shù)，代表第i根發(fā)射天線和第j根接收天線之間的信道增益。在某一時刻，如果符號{s1,s2,...,s_NT}由N_T根天線發(fā)射，那么，在第j根天線接收到的信號可表示為：

于是，對于i=1,2,...,N_T根發(fā)射天線，j=1,2,...,N_R根接收天線，上式可用矩陣表示為：

或者可簡潔地表示為：

衰落系數(shù)H是獨立的(關(guān)于i和j)和同分布的(i.i.d)。接收機天線上的附加噪聲是獨立的(與η有關(guān))，并且是同分布的。假設(shè)信號受平均功率約束:

H矩陣包含了在時域中傳輸信號振幅和相位失真（畸變）的信道系數(shù)。信道矩陣H是在接收端和發(fā)送端不考慮信道信息的情況下盲目傳輸?shù)摹Ｈ绻邮諜C將信道信息發(fā)回發(fā)射機，那么發(fā)射機就能夠調(diào)整分配給天線的功率。這里涉及分配天線增益權(quán)重的問題，一種方案是采用codebook預(yù)編碼矩陣，通過TPMI索引指示當(dāng)前時隙應(yīng)該采用哪些預(yù)編碼矩陣。另外一種方案是non-codebook方案,跟蹤當(dāng)前信道環(huán)境，反饋CSI信息，通過奇異值分解（SVD），更新預(yù)編碼矩陣，調(diào)整天線功率。

MIMO系統(tǒng)的一個有吸引力的優(yōu)點是增加了天線分集，可以減輕平坦衰落的不利影響。在具有N_T發(fā)射天線和N_R接收天線的MIMO系統(tǒng)中，如果任意一對發(fā)射接收天線的信道獨立且經(jīng)歷平坦衰落，則最大或全分集增益為N_TN_R。實現(xiàn)全分集的一種常見方法是通過空時分組碼(STBC)編碼。

② 頻率選擇性MIMIO信道

在MIMO系統(tǒng)中，任何發(fā)射接收鏈路獨立受多徑衰落影響，且信道脈沖響應(yīng)用L可解析路徑表征，全分集增益為N_TN_RL。在頻選MIMO信道中，OFDM通常用于消除ISI（符號間干擾）和ICI（載波間干擾）。為了實現(xiàn)完全分集，在OFDM子信道、OFDM符號和發(fā)射天線之間使用編碼。

③ MIMO-OFDM系統(tǒng)

在寬帶無線系統(tǒng)中，MIMO信道受到頻率選擇性衰落或潛在多徑衰落的嚴(yán)重影響。由于ISI的存在，這種衰落效應(yīng)使ST碼的設(shè)計變得復(fù)雜。為了克服這個問題，MIMO可以與OFDM系統(tǒng)相結(jié)合，稱為MIMO-OFDM。MIMO和OFDM的結(jié)合有可能滿足這一嚴(yán)格的要求，因為MIMO可以提高容量和分集增益，而OFDM可以減輕多徑衰落帶來的不利影響。MIMO-OFDM系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 MIMO-OFDM系統(tǒng)

采用N_T發(fā)射天線、N_R接收天線、N個子載波OFDM符號的MIMO-OFDM系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。輸入的比特流首先通過使用BPSK、QPSK和QAM等調(diào)制技術(shù)映射成許多數(shù)據(jù)符號。然后，將一個數(shù)據(jù)符號塊編碼成大小為N_T×N_T的碼字矩陣，以T個 OFDM符號的形式通過N_T發(fā)射天線進(jìn)行傳輸，每個符號有N個子信道。在每個OFDM符號上附加循環(huán)前綴（cyclic prefix，CP）后，這些符號將通過N_T發(fā)射天線傳輸。接收到的信號經(jīng)過MIMO信道后，首先發(fā)送到逆向向OFDM (去除CP, DFT/FFT變換)，然后發(fā)送到解碼器。如果接收端存在信道狀態(tài)信息CSI (channel state information)，則執(zhí)行最優(yōu)的ML檢測。

對于MIMO系統(tǒng)而言，波束賦形、信道估計和信道均衡，依然是影響系統(tǒng)性能的重要因素。

未來大規(guī)模MIMO技術(shù)的發(fā)展，會不會把通信帶入深淵？

對于業(yè)界的毫米波和太赫茲通信，覆蓋距離成了軟肋，高數(shù)據(jù)率又能如何？也許，通信行業(yè)就像一輪橘紅色的夕陽，在西邊方向，一點點下墜。