什么是 MIMO？
我们拆解这个缩写：
- Multiple：多
- Input：输入
- Multiple：多
- Output：输出
MIMO 的全称是 多输入多输出，它是一种利用多根天线进行数据收发的技术，通过在发送端和接收端同时使用多根天线,来提升通信系统的性能。
可以把它想象成一个高速公路系统：
- SISO (Single-Input Single-Output, 单天线通信)：就像一条双向两车道的高速公路，所有车辆（数据）都在这两条车道上跑，容易拥堵,通行能力有限。
- MIMO：就像一个扩建后的高速公路系统，变成了多条并行车道，数据被分割成多个“数据流”，同时在不同的“车道”（空间流）上传输，极大地提升了总通行能力（数据速率）。
MIMO 的核心原理：空间维度
MIMO 的核心思想是利用空间维度来提升通信质量，而不仅仅是传统的频率和时间维度，它主要包含三种工作模式，这三种模式可以组合使用，共同构成了 LTE MIMO 的强大能力。
A. 空间复用
这是 MIMO 最具革命性的模式，主要目标是提升峰值数据速率。
- 原理：在发送端，将一个高速数据流切分成多个并行的低速数据流，利用多根天线，在同一时间、同一频率上，将这些数据流“发射”出去，接收端的多根天线能够通过先进的信号处理算法（如线性检测、非线性检测等），将这些在空间上混叠的信号分离开,并重新组合成原始数据流。
- 比喻：一个快递公司有多个快递员（发送天线），他们同时出发，走不同的路线（空间维度），把一个包裹的不同部分（数据流）送到同一个地址（接收端）,接收方知道如何把这些部分拼凑起来。
- 关键指标：空间流数量，LTE 系统支持最多 4 个空间流（下行），这意味着理论上可以将峰值速率提升到原来的 4 倍，空间流数量取决于发送端和接收端天线数量中的较小值（min(Nt, Nr)）。
B. 分集传输
这种模式主要目标是提升通信的可靠性，降低误码率，增强覆盖范围。
- 原理：发送端将同一份数据（或其冗余版本）通过多根天线在不同的空间、时间或频率上多次发送，接收端由于收到多个相同但独立的信号副本，可以从中选择质量最好的一个进行解码，或者将它们合并起来，从而有效对抗无线信号在传播过程中遇到的衰落（如多径效应、阴影效应）。
- 比喻：你给朋友发一个重要的消息，你通过微信、短信、电话三种方式（多根天线）都发了一遍，即使其中一种方式信号不好（比如微信没信号），朋友也能通过其他方式收到,确保信息无误。
- 常见技术：
- 发射分集：基站端使用多根天线发送相同数据的副本。
- 接收分集：终端使用多根天线接收信号,以对抗上行链路的衰落。
C. 波束赋形 / 空间预处理
这种模式主要目标是提升特定用户的信号质量和系统容量。
- 原理：基站通过精确控制从每根天线发射信号的相位和幅度，使得这些信号在空中传播时，能够在目标用户的方向上同相叠加，从而增强接收信号强度；在其他方向上相消干涉，从而减少对其他用户的干扰，这就像给信号“指明方向”。
- 比喻：你在一个嘈杂的房间里想和一个人说话，你不会大喊大叫（全向广播），而是会把头和手做成喇叭状，将声音对准他（波束赋形），让他听得更清楚,同时也不会打扰到旁边的人。
- 优势：
- 提升边缘用户速率：对于信号较弱的用户,可以显著增强其接收信号。
- 减少系统内干扰：能量集中在目标用户,减少了对小区内其他用户的干扰。
- 提升系统容量。
LTE 中的 MIMO 应用（下行链路为主）
LTE 系统的下行链路（基站到手机）是 MIMO 技术应用最广泛、最复杂的地方，根据终端能力不同，LTE 定义了不同的 MIMO 模式和等级。
下行 MIMO 天线配置
LTE 基站侧通常部署 2 根、4 根或更多天线，最常见的配置是 2x2 MIMO（2T2R）和 4x2 MIMO（4T2R）。
下行 MIMO 模式演进
LTE MIMO 技术是随着标准演进而不断丰富的：
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R8 (Relay-8) - 基础 MIMO
- 发射分集：如 SFBC (Space Frequency Block Coding)，主要用于小区边缘和低速移动场景,保证覆盖。
- 闭环空间复用：终端通过上行反馈信道，告诉基站信道质量信息，基站据此选择最优的预编码矩阵,这是高速率的基础。
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R9 (Relay-9) - 引入波束赋形
- 单流波束赋形：主要用于 TDD 模式，利用信道互易性，通过上行信道估计来预知下行信道，实现低成本、高效的波束赋形。
- 多用户 MIMO (MU-MIMO)：这是波束赋形的重要应用，基站将空间资源（如空间流）分配给不同位置的多个用户，让他们在同一时间、同一频率上传输，因为用户在空间上是分离的，基站可以将波束分别对准他们，从而实现“空分复用”,大幅提升系统总容量。
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R10 (Relay-10 / LTE-Advanced) - 高阶 MIMO
- 8 天线支持：引入了最多 8 根天线的下行传输。
- 下行 4 流传输：支持最多 4 个空间流的并行传输，这是 LTE-Advanced 实现千兆级速率的关键之一。
- 增强型 MU-MIMO：支持更灵活的多用户资源分配。
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R13/R14 (LTE-Advanced Pro) - 进一步增强
- 上行 MIMO 增强：引入上行 4 天线接收和上行传输波束赋形,进一步提升上行速率和覆盖。
- 更高阶的波束赋形：支持更精细的波束管理。
MIMO 的关键优势总结
| 优势 | 描述 |
|---|---|
| 峰值速率提升 | 通过空间复用，N 个空间流可将峰值速率提升约 N 倍。 |
| 频谱效率提升 | 在不增加额外频谱资源的情况下，通过复用和分集，大幅提升了单位频谱的传输能力。 |
| 覆盖范围扩大 | 通过分集技术，抵抗衰落，使信号在更远距离也能保持稳定连接。 |
| 系统容量提升 | 通过 MU-MIMO 等技术，让更多用户同时高效通信，提升了整个小区的接入能力。 |
| 边缘用户体验改善 | 通过波束赋形技术，增强小区边缘用户的信号质量，减少“掉线”和速率慢的问题。 |
MIMO 的挑战
尽管 MIMO 优势巨大,但其实现也面临挑战：
- 信道状态信息反馈：对于闭环空间复用，终端需要向基站反馈信道信息，这会消耗上行资源和终端电量,且反馈信息的准确性和及时性直接影响性能。
- 复杂度：无论是基端的信号处理还是终端的信号解码，MIMO 都大大增加了算法的复杂度，对硬件（处理器、功耗）提出了更高要求。
- 天线相关性：如果基站或终端的天线间距过小，会导致接收到的信号高度相关,空间分集和复用的效果会大打折扣。
- 信道变化速度：对于高速移动的终端，信道变化非常快,给信道估计和波束跟踪带来了巨大挑战。
LTE MIMO 技术是 LTE 高性能的基石，它不再是简单的“多根天线”，而是一套复杂的、综合利用空间复用、分集和波束赋形等技术的系统方案，通过在空间维度上做文章，LTE 实现了速率、容量、覆盖和可靠性的全面提升，为从 4G 到 5G 的演进奠定了坚实的基础，在 5G NR 中，MIMO 技术进一步演化为Massive MIMO（大规模天线阵列），其原理与 LTE MIMO 一脉相承,但规模和复杂度都达到了新的高度。
