什么是MIMO？你不知道？這可是5G關(guān)鍵技術(shù)！(1)

MIMO是什么

在這個(gè)萬物互聯(lián)的時(shí)代，手機(jī)作為我們和外界聯(lián)系的窗口，似乎已經(jīng)成為了我們身體的一部分。

而手機(jī)是無法自己上網(wǎng)的，無時(shí)無刻不和手機(jī)進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)變得跟水和電一樣，暢快上網(wǎng)的時(shí)候感覺不到這些幕后英雄的重要，一旦離開就感覺跟活不下去了一樣。

出于在中國某動(dòng)某通某信按流量收費(fèi)時(shí)代的記憶，那時(shí)1M流量收費(fèi)一塊，普通人一個(gè)月也就幾百M，用一點(diǎn)少一點(diǎn)，哪敢無時(shí)無刻刷抖音啊。因此，看到wifi，暢快上網(wǎng)就有了安全感。我們來看看常用的無線路由器長什么樣子。

好家伙，6根天線，都快成蜘蛛了?？雌饋砗芘１频臉幼印?/span>

實(shí)際呢，信號能多穿兩堵墻？還是網(wǎng)速能倍增？

這些效果還真都可以達(dá)到。效果當(dāng)然是通過這么多天線來實(shí)現(xiàn)的，這就是大名鼎鼎的MIMO技術(shù)。

MIMO？說人話就叫：多輸入多輸出（Multi Input Multi Output）。

可這聽起來還是不夠像人話。我們這樣想一下，如果通過網(wǎng)線上網(wǎng)的話，連接電腦和網(wǎng)絡(luò)的就是一根實(shí)際的線纜?，F(xiàn)在我們通過天線把信號在空氣中用電磁波來傳送，空氣就起到跟網(wǎng)線一樣的作用，都是傳輸信號的通道，叫做無線信道。

那么咋樣能讓網(wǎng)速更快呢？顯然多來幾根天線，多幾根虛擬的網(wǎng)線一起收發(fā)數(shù)據(jù)就能解決問題，這個(gè)多輸入多輸出就是針對這個(gè)無線信道來說的。

無線路由器如此，在那高高的鐵塔上，4G基站和你的手機(jī)也在做著同樣的事情。簡直是為了能讓你暢(duō)快(jiāo)上(huà)網(wǎng)(fèi)操碎了心。

正是由于和4G緊密結(jié)合的MIMO技術(shù)，讓我們能體驗(yàn)飛一樣的上網(wǎng)速度，同時(shí)像移動(dòng)聯(lián)通電信這樣的運(yùn)營商的成本也大幅降低，在激烈的競爭下紛紛推出不限量套餐，我們終于能夠得以擺脫對wifi的依賴，無時(shí)無刻都可以暢快地看視頻了。

下面將抽絲剝繭，揭開MIMO的神秘面紗，把基站和手機(jī)之間的那些風(fēng)流韻事扒個(gè)一絲不掛，讓各位看得清楚看得明白。

MIMO的分類

首先，我們前面提到的MIMO，均指的是在下載方向上大幅提升網(wǎng)速。這是因?yàn)樵诂F(xiàn)階段，我們對下載的需求更為強(qiáng)勁。想想看，你可能動(dòng)輒下載幾十個(gè)G的視頻，而上傳卻大多是幾個(gè)M的照片而已。

既然MIMO叫做多輸入多輸出，必然涉及到多天線創(chuàng)造的多條傳輸路徑。俗話說，一個(gè)巴掌拍不響，不但基站要支持多天線發(fā)射，手機(jī)也要用多天線接收來迎合。

從簡單到復(fù)雜，以最為常見的最大兩天線為例，畫了下基站和手機(jī)天線個(gè)數(shù)不同的幾種情況。請忽略天線外觀的細(xì)節(jié)，實(shí)際上基站的天線很大很直觀，手機(jī)的天線很小隱藏在內(nèi)部，雖然能力不同，但他們在通信中的地位是一樣的。

這里面根據(jù)基站和手機(jī)的天線數(shù)的不同，可分為SISO，SIMO，MISO和MIMO四種類型。它們的英文含義如下：

① SISO：單輸入單輸出 ( Single Input Single Output )

② SIMO：單輸入多輸出 ( Single Input Multiple Output )

③ MISO：多輸入單輸出 ( Multiple Input Single Output )

④ MIMO：多輸入多輸出 ( Multiple Input Multiple Output )

先從簡單的來，從SISO開始。

基站和手機(jī)各一根天線，你發(fā)我收，清清白白，但是在實(shí)際使用的時(shí)候卻實(shí)在是不盡如人意。我們可以把基站和手機(jī)想象成望眼欲穿的情侶，中間的傳輸路徑想象成連通雙方的唯一的公路。

這樣的系統(tǒng)無疑是非常脆弱的，本來就是羊腸小道，無論是遇到刮風(fēng)下雨，還是毫無征兆的堵車，都會直接對通信構(gòu)成威脅。

于是這對思念的情侶只好唱起那個(gè)信天游：一個(gè)在那山上呦一個(gè)在那溝， 咱們拉不上個(gè)話話哎呀招一招個(gè)手。

SIMO的情況就好一些了，因?yàn)槭謾C(jī)的接收能力得到了增強(qiáng)。

可以想象得到，手機(jī)君終于忍無可忍，既然改變不了無線傳輸環(huán)境，那就改變自己吧，于是它為自己增加了一幅天線。

這樣一來，從基站發(fā)出的消息就有兩條路能到達(dá)手機(jī)了！只是這兩條路都來自基站的同一跟天線，只能發(fā)送相同的數(shù)據(jù)。

這樣一來，每條路上發(fā)送的數(shù)據(jù)，丟一些也沒關(guān)系，手機(jī)只要能從任意一條路徑上收到一份就夠了，雖然最大容量還是一條路沒有變，成功收到數(shù)據(jù)的概率卻提高了一倍。這種方式也叫做接收分集。

那么，MISO又是怎么回事呢？

我們換一種思路，手機(jī)還是保持一根天線，而把基站的天線數(shù)增加到了兩個(gè)。這樣一來，這對情侶之間的道路也就變成了兩條，基站就能同時(shí)發(fā)送兩份不同的數(shù)據(jù)嗎？

從基站君的角度來看確實(shí)可以，但手機(jī)君只有一根接收天線啊，兩條路徑最終還是要合成一路。所以基站還是只能發(fā)相同的東西，這樣一來，每條路上發(fā)送的數(shù)據(jù)，丟一些也沒關(guān)系，只要不是兩條路上的東西都丟了，通信就能正常進(jìn)行。

雖然最大容量還是一條路沒有變，通信的成功率卻提高了一倍。這種方式也叫做發(fā)射分集。

最后我們來看看傳說中的MIMO到底是怎么回事。

基站和手機(jī)作為一對情侶，還是要有些默契的。俗話說，心有靈犀一點(diǎn)通，大家都采用兩根天線豈不是就能獨(dú)立發(fā)送兩路數(shù)據(jù)，速度翻倍了？這種方式就是大名鼎鼎的MIMO。

這樣就有基站和手機(jī)之間4條傳輸路徑了，似乎復(fù)雜了不少，可以肯定的是，因?yàn)榛竞褪謾C(jī)都有兩根天線，硬件上具備同時(shí)收發(fā)兩路數(shù)據(jù)的條件了。

那么它的最大容量跟一條路徑相比能提升多少呢？從前面對SIMO和MISO的分析來看，最大容量似乎取決于收發(fā)雙方的天線個(gè)數(shù)。

木桶原理告訴我們：一只水桶能裝多少水取決于它最短的那塊木板。這就也是判斷MIMO最大容量的最簡單辦法：比較基站和手機(jī)的天線數(shù)，最大容量總是受制于天線數(shù)少的一方。

MIMO系統(tǒng)一般寫作AxB MIMO，A表示基站的天線數(shù)，B表示手機(jī)的天線數(shù)。大家想想4x4 MIMO和4x2 MIMO的容量哪個(gè)大？

從木桶原理來判斷，4x4 MIMO可以同時(shí)發(fā)送和接收4路數(shù)據(jù)，其最大容量可以達(dá)到SISO系統(tǒng)的4倍，而4x2 MIMO因?yàn)榻邮仗炀€只有兩根，只能同時(shí)接收2路數(shù)據(jù)，其最大容量只能達(dá)到SISO系統(tǒng)的2倍，高下立現(xiàn)。

這種利用多天線，復(fù)用空間中不同的傳輸路徑并行發(fā)送多份不同數(shù)據(jù)來提升容量的方法就叫空分復(fù)用。

那么，在MIMO模式下，總能達(dá)到最大傳輸容量嗎？剛才我們說的都是理論，現(xiàn)在要來到現(xiàn)實(shí)之中檢驗(yàn)了。

我們?nèi)砸曰竞褪謾C(jī)都是2天線為例，在一片開闊地帶，這對情侶的距離還相當(dāng)遠(yuǎn)，他們之間的傳輸路徑會是什么樣的呢？

如圖所示，這4條路徑經(jīng)過了相同的衰落和干擾，到了手機(jī)接收的時(shí)候，已經(jīng)完全分不清彼此了，這不就跟一條路是一樣的嗎！所以在這個(gè)時(shí)候，2x2 MIMO系統(tǒng)就退化成了SISO系統(tǒng)，跟單發(fā)單收的容量一樣了。

同理，受制于萬惡的信道相關(guān)性，根據(jù)能分辨出來的傳輸路徑的個(gè)數(shù)，2x2 MIMO系統(tǒng)還有可能退化成SIMO、MISO等系統(tǒng)，也就意味著從空分復(fù)用退化成了發(fā)射分集或者接收分集，基站的期望也從追求高速率退化到了保證接收成功率了。

按理說，理解到這里就差不多了，可這并不是善于思考的通信工程師的風(fēng)格。他們慣于使用各種各樣的數(shù)學(xué)符號來研究MIMO系統(tǒng)，把簡單的東西復(fù)雜化，從定性分析變?yōu)槎糠治觥?/span>

我們姑且看看用數(shù)學(xué)符號來研究的MIMO系統(tǒng)是怎么回事。

文章轉(zhuǎn)自公眾號                                                                                        無線深海