频段和信号那些事：浅谈LTE的MIMO多天线技术

2023-12-10 22:50 作者：岑岑围观：次

我们在很多手机的参数配置中都看到过。手机支持4*4 MIMO技术，可以大大改善手机信号等等。

但是终端厂商并没有过多解释4*4 MIMO是什么，消费者也只是记得MIMO技术可以让手机信号更好，但是对于MIMO是否可以让手机接收信号更好，MIMO是如何工作来提升信号质量的，消费者并不是很清楚。

那么MIMO到底是什么？真的能让手机信号变好吗？

答案真的是肯定的。

什么是MIMO？

MIMO多天线技术是大大提高LTE吞吐量的物理层关键技术。MIMO技术和OFDM技术并称为LTE最重要的两种物理层技术。前者是多天线技术，后者是正交频分复用技术。

MIMO(多输入多输出)是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线。它不同于传统的信号处理方法，它从时间和空两方面研究信号处理问题，在不增加带宽和发射功率的情况下，提高系统的数据速率，降低误码率，提高无线信号的传输质量。

如上所述，MIMO是一种多天线技术，也是LTE的物理层技术之一。请注意是物理层技术。

在讲这个之前，我们需要提一个公式——香农公式。

c = B * log2(1+信噪比)

在上面的公式中，Shannon给出了单发射天线和单接收天线的SISO无线信道的极限容量公式。SISO与MIMO相反，是多输入多输出，SISO是单输入单输出。

b是信道带宽，S/N是接收端的信噪比(电子设备或电子系统中的信噪比)。这里的信号是指来自设备外部的需要本设备处理的电子信号，噪声是指经过本设备后，原信号中不存在的无规律的额外信号(或信息)，这个信号不随原信号的变化而变化，以dB为单位)。

从香农公式中，我们可以知道，提高信噪比或带宽可以增加无线信道的容量。然而，传输功率和带宽是有限的。在一定带宽条件下，无论SISO采用何种编码和调制方式，系统容量都不能超过香农公式极限。目前广泛使用的Turbo码和LDPC码使得信道容量接近信道容量极限。

这里需要注意的是，LTE中的多天线技术并没有突破香农公式定义的极限，而是相当于多个单信道的组合。

我们假设n是发射天线数，m是接收天线数，MIMO是多天线技术，所以它的天线配置可以表示为n * m；现有的天线配置有1*2(1接收2发射)、2*2、2*4、4*4等。

假设发射端的每个天线发射独立的等功率，每个信号满足瑞利分布，根据MIMO系统的信道传输特性和香农信道容量的计算方法，我们可以推导出平坦衰落MIMO系统信道容量的近似表达式如下:

C={min(N，M)}B*log2(S/2N)

Min(N，M)是指发射天线N和接收天线M的最小数量

我们可以看到，MIMO系统的容量会随着发送端或接收端较小的天线数min(N，m)的增加而线性增加。

2×2天线配置的MIMO系统和2×4天线配置的MIMO系统的极限容量几乎都很大，因为“n”是2，但这并不意味着“m”的“4”没有用。实际上，发射天线数量翻倍起到了分集的作用，提高了接收端的信噪比，增加了下行容量，提高了下行速率。

我们可以简单的理解为木桶短板效应。能收到的信号质量取决于N和M中较小的一个，也就是说你发射的越多，我收到的天线就越少，剩下的都浪费了。或者你只发射一点点，我接收再多天线也没用，不太准。可以做这样的理解。

对MIMO技术的进一步理解可以分为两部分。

多天线发射信号时，同一数据流的不同版本分别在不同天线上制作、编码和调制后发送；接收器使用空 inter-equalizer分离接收信号，然后对其进行解调和解码，合并同一数据流的不同接收信号，并将其恢复为原始数据。这个过程一般称为空 inter-diversity，信号分开传输，可以保证信号的可靠性。

当然，如果多天线把一个高速数据流分成几个低速数据流，在不同的天线上编码调制后发送。天线是相互独立的。接收机使用空均衡器分离接收信号，然后对其进行解调和解码，并合并几个数据流以恢复原始信号。这个过程一般称为空 division multiplexing，其目的是提高信息传输效率。

空 inter-diversity和空 division multiplexing是MIMO技术中的两项关键技术，它们确保MIMO技术能够为用户平面带来更好的LTE速率感知——既可靠又高效。

4*4 MIMO技术，中国移动B41专属？

我们知道工作原理，那么这种MIMO技术在现实生活中的工作场景是怎样的呢？

边肖画了一张图供你参考。