什么是MIMO？你不知道？這可是5G關鍵技術！(1)

MIMO是什么

在這個萬物互聯(lián)的時代，手機作為我們和外界聯(lián)系的窗口，似乎已經成為了我們身體的一部分。

而手機是無法自己上網的，無時無刻不和手機進行通信的網絡已經變得跟水和電一樣，暢快上網的時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。

出于在中國某動某通某信按流量收費時代的記憶，那時1M流量收費一塊，普通人一個月也就幾百M，用一點少一點，哪敢無時無刻刷抖音啊。因此，看到wifi，暢快上網就有了安全感。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。看起來很牛逼的樣子。

實際呢，信號能多穿兩堵墻？還是網速能倍增？

這些效果還真都可以達到。效果當然是通過這么多天線來實現(xiàn)的，這就是大名鼎鼎的MIMO技術。

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，如果通過網線上網的話，連接電腦和網絡的就是一根實際的線纜?，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。

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

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

正是由于和4G緊密結合的MIMO技術，讓我們能體驗飛一樣的上網速度，同時像移動聯(lián)通電信這樣的運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，把基站和手機之間的那些風流韻事扒個一絲不掛，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速。這是因為在現(xiàn)階段，我們對下載的需求更為強勁。想想看，你可能動輒下載幾十個G的視頻，而上傳卻大多是幾個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，一個巴掌拍不響，不但基站要支持多天線發(fā)射，手機也要用多天線接收來迎合。

從簡單到復雜，以最為常見的最大兩天線為例，畫了下基站和手機天線個數不同的幾種情況。請忽略天線外觀的細節(jié)，實際上基站的天線很大很直觀，手機的天線很小隱藏在內部，雖然能力不同，但他們在通信中的地位是一樣的。

這里面根據基站和手機的天線數的不同，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。

基站和手機各一根天線，你發(fā)我收，清清白白，但是在實際使用的時候卻實在是不盡如人意。我們可以把基站和手機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，無論是遇到刮風下雨，還是毫無征兆的堵車，都會直接對通信構成威脅。

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

SIMO的情況就好一些了，因為手機的接收能力得到了增強。

可以想象得到，手機君終于忍無可忍，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手機了！只是這兩條路都來自基站的同一跟天線，只能發(fā)送相同的數據。

這樣一來，每條路上發(fā)送的數據，丟一些也沒關系，手機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，成功收到數據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，手機還是保持一根天線，而把基站的天線數增加到了兩個。這樣一來，這對情侶之間的道路也就變成了兩條，基站就能同時發(fā)送兩份不同的數據嗎？

從基站君的角度來看確實可以，但手機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)送的數據，丟一些也沒關系，只要不是兩條路上的東西都丟了，通信就能正常進行。

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。

基站和手機作為一對情侶，還是要有些默契的。俗話說，心有靈犀一點通，大家都采用兩根天線豈不是就能獨立發(fā)送兩路數據，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之間4條傳輸路徑了，似乎復雜了不少，可以肯定的是，因為基站和手機都有兩根天線，硬件上具備同時收發(fā)兩路數據的條件了。

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)雙方的天線個數。

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：比較基站和手機的天線數，最大容量總是受制于天線數少的一方。

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

從木桶原理來判斷，4x4 MIMO可以同時發(fā)送和接收4路數據，其最大容量可以達到SISO系統(tǒng)的4倍，而4x2 MIMO因為接收天線只有兩根，只能同時接收2路數據，其最大容量只能達到SISO系統(tǒng)的2倍，高下立現(xiàn)。

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

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

我們仍以基站和手機都是2天線為例，在一片開闊地帶，這對情侶的距離還相當遠，他們之間的傳輸路徑會是什么樣的呢？

如圖所示，這4條路徑經過了相同的衰落和干擾，到了手機接收的時候，已經完全分不清彼此了，這不就跟一條路是一樣的嗎！所以在這個時候，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性，根據能分辨出來的傳輸路徑的個數，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格。他們慣于使用各種各樣的數學符號來研究MIMO系統(tǒng)，把簡單的東西復雜化，從定性分析變?yōu)槎糠治觥?/span>

我們姑且看看用數學符號來研究的MIMO系統(tǒng)是怎么回事。

文章轉自公眾號                                                                                        無線深海