有限的帶寬和不斷增加的新的無線服務的需求為通信領域新技術的采用開辟了道路，這些非傳統(tǒng)技術有效提升了數(shù)據(jù)容量。新采用的這些技術中的一種就是利用多天線設計的多輸入、多輸出（MIMO）系統(tǒng)架構。MIMO利用了發(fā)送和接收天線之間的空間分集技術——由信號衰落和多徑環(huán)境引起的多信號路徑產(chǎn)生——來增加數(shù)據(jù)吞吐量而無須額外的增加帶寬。但相比傳統(tǒng)的單流架構MIMO，系統(tǒng)復雜度增加了許多，帶來了更大的測試挑戰(zhàn)，需要獨特的設備和測試方法。

本文介紹了MIMO測量的不同種類，包括噪聲和干擾對于信道的損害，并提供一些圖片示例方便大家對于測量結果的理解。

對于新近的無線通信標準，高數(shù)據(jù)吞吐量是最基本的要求，這些新標準MIMO都有參與，包括IEEE802.11nWLAN、IEEE802.16e移動WiMAX Wave 2和3GPP長期演進（LTE）。這些新系統(tǒng)都結合了MIMO和OFDM或者OFDMA（正交頻分多址接入）的采用，來實現(xiàn)在不增加信道帶寬的前提下增加數(shù)據(jù)吞吐量。

　SISO與MIMO比較

在傳統(tǒng)的單輸入、單輸出（SISO）通信系統(tǒng)中（如圖1a所示），例如，傳統(tǒng)的IEEE802.11a/b/g無線局域網(wǎng)絡（WLAN）系統(tǒng)，一個無線鏈路采用了單發(fā)射器和單接收器。也許會在每個通信鏈路終端上采用多個天線，但在同一時刻只有一套天線被采用，并只有一個載波傳輸單流的數(shù)據(jù)。在理想的通信信道中，無線信號從發(fā)射器到接收器只通過單一路徑傳輸，但無線信道中的障礙物（比如樓宇和各種地形）和移動影響產(chǎn)生了多徑效應，因此，接收器會接收到多個信號。反射的信號由于相比直接傳輸?shù)男盘杺鞑ヂ窂礁L，會受到衰減和延遲的影響。因為傳輸路徑的不同，這些反射信號的相位也各不相同。因此，接收機信號的重建面臨難度，會造成接收信號強度的波動。較強的多徑效應會降低吞吐量或者造成數(shù)據(jù)丟失。



圖1傳統(tǒng)的SISO架構的無線信號鏈路（a），采用一對天線在同一時間進行發(fā)射和接收而MIMO系統(tǒng)（b）同時采用多信號和多天線

因為在指定通信信道中，OFDM通常與MIMO進行組合來增強數(shù)據(jù)吞吐量，所以在探討MIMO概念之前理解OFDM是非常重要的。例如，OFDM在IEEE802.11g(Wi-Fi)和IEEE 802.16e WiMAX系統(tǒng)中得到了采用。在MIMO的基礎上，采用OFDM可以進一步提升數(shù)據(jù)吞吐量，而無須增加帶寬或改變調制階數(shù)——比如從16QAM變成 64QAM系統(tǒng)。

采用OFDM調制的無線信號本質上是由一系列相互正交的子載波構成的，這些子載波彼此形成了最佳的隔離，因此一個調制后的子載波處于最大功率時，其臨近調制后子載波正好處于過零點或功率最小處，而一些子載波作為保護頻帶來實現(xiàn)隔離并防止臨近信道干擾。為了增強魯棒性，許多通信標準采用的OFDM采用了小衰減間隔，讓多路信號分量隨時間衰減，這樣這些信號就不會對下一個接收機收到的傳輸符號產(chǎn)生干擾。

通過采用反向傅里葉變換對OFDM的子載波進行數(shù)字信號處理，可將其結合到一個信號流里面?zhèn)鬏敳⒖苫謴驮盘?。因為保留多流信號的相對相位和頻率關系，這些信號流就可以并行的在單一信道傳輸，所以就可以實現(xiàn)在不增加帶寬的前提下提高數(shù)據(jù)吞吐量。

與SISO通信系統(tǒng)相比，MIMO系統(tǒng)（圖1b）同時采用多無線信號和多天線，多個數(shù)據(jù)流在同一通信信道傳輸。這些多路的數(shù)據(jù)流由媒體接入控制（MAC）層在通信鏈路兩端進行協(xié)調。MIMO系統(tǒng)不需要天線的對稱排列，例如，兩個發(fā)射要配備兩個接收（2×2）或者四個發(fā)射要配備四個接收（4×4），可以進行“不平衡”配置，例如四個發(fā)射配備三個接收的4×3配置。

要增加SISO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，需要更為復雜的調制方式，或者增加帶寬，或進行兩者的結合。加倍SISO系統(tǒng)吞吐量最簡單的方法是將帶寬加倍。要增加MIMO系統(tǒng)的吞吐量，發(fā)射器、接收器和相應天線的數(shù)量需要增加。通過采用多天線和信號傳播路徑的空間多路技術，MIMO系統(tǒng)可以在不增加信道帶寬的前提下增加大概3.5倍的吞吐量。

MIMO系統(tǒng)利用接收信號的變更來增加數(shù)據(jù)吞吐量，接收到的信號被看作未知信號（發(fā)送的符號）的聯(lián)立方程。多路信號路徑的多樣性變化讓這些聯(lián)立方程解決的更加簡單，并提升了吞吐量。

SISO的信道容量與MIMO系統(tǒng)相比如何呢？香農(nóng)定律指明了SISO通信系統(tǒng)的信道吞吐量為： C=BLog2(1+S/N)

式中：C為信道容量（單位b/s）,B為信道帶寬（單位Hz）,S為帶寬上總的信號功率（單位W或者V2）,N為帶寬上總的噪聲功率（單位W或者V2）。當該公式用于MIMO應用時：C=ABlog2(1+S/N)

式中：A為發(fā)射天線的數(shù)量。

該等式指出了MIMO系統(tǒng)中發(fā)射天線數(shù)量與信道容量的直接關系。一個MIMO系統(tǒng)在同一物理信道上利用空間復用技術用多天線傳輸多路數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流在不改變符號速率的情況下在多個發(fā)射機上進行發(fā)送。通過增加更多的發(fā)射機和發(fā)射天線，系統(tǒng)的吞吐量在帶寬不變的情況下得到提升。

為MIMO系統(tǒng)建模必須考慮多數(shù)據(jù)流的數(shù)量，包括到達接收機的直接和反射信號。按照傳統(tǒng)的方法，將發(fā)射器分別表示為Tx1，Tx2，…，Txn，將接收機表示為Rx1，Rx2，…，Rxn，一個MIMO通信系統(tǒng)可由一個矩陣信號向量hxy的形式表示，其中x表示發(fā)射機的數(shù)量，y表示接收機的數(shù)量。例如，h21表示兩個發(fā)射機和一個接收機，而h22表示兩個發(fā)射機和兩個接收機（如圖2所示）。通過這種方法，一個MIMO信道可以這樣建模：y=H*x+n

式中：y為接收信號向量，H為信道矩陣(hxy信號元素)，x為發(fā)射信號向量，n為噪聲向量。