MIMO（Multiple Input Multiple Output）是一种多输入多输出系统，指在通信过程中同时使用多个发射天线和接收天线的技术。通过利用多个天线进行数据传输，MIMO系统可以在不增加带宽的情况下显著提高通信容量和频谱利用率。
二、MIMO的发展历程
MIMO技术的发展经历了多个重要的里程碑。早在1908年，马可尼就提出了使用MIMO来对抗衰落现象。70年代，学者们开始将MIMO应用于通信系统中。1995年，Teladar提出了MIMO容量的概念，研究了在衰落环境中的传输性能。随后，Foshinia在1996年提出了对角-贝尔实验室分层空时（D-BLAST）算法，为MIMO系统的信号处理奠定了基础。同年，Tarokh等人讨论了用于MIMO的空时码，进一步推动了该领域的研究。最终，Wolniansky等人在1998年利用垂直-贝尔实验室分层空时（V-BLAST）算法成功建立了一个实际的MIMO系统。这些工作引起了全球学术界的广泛关注，推动了MIMO技术的快速发展。
三、MIMO的优势和应用
多种模式带来的增益：
发送分集增益：提高系统可靠性，但不能提升数据速率。
波束赋形增益：通过优化天线指向来提高系统的有效性，可以提升数据速率。
空间复用增益：通过在不同天线之间进行并行传输，提高系统的有效性，可以提升数据速率。
提高频谱效率：
对于下行通信，TD-LTE标准要求每Hz的频谱效率达到5bps（Rel-10为30bps）。
对于上行通信，TD-LTE标准要求每Hz的频谱效率达到2.5bps（Rel-10为15bps）。
MIMO技术的广泛应用：
MIMO技术已经成功应用于多种通信系统中，包括无线局域网（WLAN）、蜂窝移动通信系统（如LTE和5G）以及无线通信系统等。通过利用多个天线进行数据传输，MIMO技术显著提高了信号质量、抗干扰能力和系统容量，为现代通信领域的发展做出了重要贡献。
综上所述，MIMO技术的诞生和发展为通信系统带来了革命性的变化。通过利用多个天线进行传输，MIMO技术提高了通信系统的容量和频谱利用率，同时也提升了信号质量和抗干扰能力。随着无线通信技术的不断演进，MIMO技术将继续在未来的通信系统中扮演重要角色。
四、MIMO技术的分类
MIMO技术可以分为三大类：波束赋形、传输分集和空间复用。其中，波束赋形是一种利用较小间距的天线阵列之间的相关性，通过干涉效应将能量集中于特定方向上的技术。
波束赋形的原理是通过调整天线阵列的相位和幅度，使得从阵列发射的信号在特定方向上形成波束，从而实现增大覆盖范围和抑制干扰的效果。类比于手电筒，波束赋形就像是把光能聚焦到一个方向，使得信号能够更远地传播，接收端也能获得更强的信号。
根据波束赋形处理位置和方式的不同，波束赋形可以分为数字波束赋形、模拟波束赋形以及混合波束赋形这三种。
数字波束赋形：在基带处理阶段对天线权值进行处理，通道数与天线数量一致。数字波束赋形具有高精度、灵活性强的优点，但需要高性能的基带处理器、复杂的系统结构和较高的成本。
模拟波束赋形：通过处理射频信号权值和相位来实现天线的相位调整，处理位置相对靠后。模拟波束赋形的通道数量较少，容量上受到限制，且受到硬件精度的影响而性能有一定制约。
混合波束赋形：将数字波束赋形和模拟波束赋形相结合，实现在模拟端可调幅调相的波束赋形以及基带的数字波束赋形。混合波束赋形兼具数字和模拟两者的优点，基带处理通道数目较少，复杂度降低，成本也相对较低，系统性能接近全数字波束赋形。这种技术特别适用于高频系统。
此外，波束赋形还可以分为单流波束赋形和双流波束赋形。
单流波束赋形（对应TM7）：LTE R8标准中，仅支持基于专用导频的单流波束赋形技术。在传输过程中，用户设备（UE）需要通过测量专用导频来估计波束赋形后的等效信道，并进行相干检测。为了能够估计波束赋形后传输所经历的信道，基站必须发送一个与数据同时传输的波束赋形参考信号。这种传输方式被称为使用天线端口5的传输。
双流波束赋形（对应TM8）：TD-LTE R9标准将波束赋形扩展到双流传输，实现了波束赋形和空间复用技术的结合。为了支持双流波束赋形，LTE R9引入了新的双端口专用导频（端口7和8），并定义了相应的控制信令。在双流波束赋形中，UE基于专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道，而预编码模块则不进行任何预处理操作。
传输分集和空间复用是在电源设计工程中常用的技术，用于提高通信系统的质量和容量。
传输分集利用较大间距的天线阵元或赋形波束之间的不相关性，在多个路径上传输相同的数据流。通过在发射端进行联合编码，增加信号的冗余度，使信号在接收端获得分集增益，从而避免单个信道衰落对整个链路的影响。传输分集的代表性技术是空时编码（STC），它将数据分成多个数据子流在多个天线上同时发射，建立了空间分离和时间分离之间的关系。空时编码可以降低平均误码率，提高系统的可靠性。其中，空时格码（STTC）通过将发送分集与网格编码调制相结合，能够在不牺牲系统带宽的情况下获得满分集增益和高编码增益。而空时分组码（STBC）则利用正交设计原理分配各发射天线上的发射信号格式，能够简化译码运算并降低译码复杂度。
空间复用则是利用较大间距的天线阵元或赋形波束之间的不相关性，向一个终端或基站同时传输多个独立的数据流，以提高链路容量。通过在不同的天线上上传输独立的数据流，并要求接收端使用不少于数据流数目的接收天线进行正确译码。空间复用技术能够充分利用系统资源，提高系统容量，从而增加整个系统的吞吐量。它需要接收端进行多用户检测与分离，以实现对不同数据流的正确解码。
总结起来，传输分集和空间复用是在电源设计工程中常用的技术手段，用于提高通信系统的质量和容量。传输分集注重抵抗信道衰落、降低误码率和提高系统可靠性，而空间复用关注充分利用系统资源、提高系统容量和数据速率。根据具体的应用需求和系统要求，选择合适的技术手段可以优化电源设计工程中的通信性能。
四、5G巨型多输入多输出（Massive MIMO）
巨型多输入多输出（Massive MIMO）天线，也被称为大规模天线，与传统的基站天线或一体化有源天线相比，其特点是拥有大量的阵列单元，并且每个单元都有独立的收发能力。这意味着它可以同时进行多个天线单元的数据收发，实现更高效的数据传输。高频率的巨型MIMO天线主要用于高密度场景、室内容量需求以及无线回传。在网络组网方面，可以通过混合使用高低频率实现最佳的频谱利用。
巨型MIMO的优势
多波束技术：通过多用户空间复用提升网络容量（MU-MIMO）；
大规模阵列波束成形：通过算法抑制用户间干扰，显著提升单用户信噪比（SINR）；
三维波束成形特性：实现不同场景的覆盖要求；
多通道上行接收：最大化上行信号接收增益。
巨型MIMO与传统MIMO的性能比较
1、大规模天线技术的研究内容
大规模天线技术的潜在应用场景主要包括宏小区覆盖、高层建筑、异构网络、热点覆盖以及无线回传链路等。此外，利用分布式天线构建巨型MIMO系统也可能成为该技术的应用场景之一。在需要广域覆盖的场景中，巨型MIMO技术可以充分利用现有频段；而在热点覆盖或回传链路等场景中，考虑使用更高频段可能更合适。
2、传输与检测技术
巨型MIMO的性能增益主要依赖于大量天线阵列形成的多用户信道间的准正交特性。然而，在实际信道条件下，由于设备和传播环境中存在多种非理想因素，为了获得稳定的多用户传输增益，仍然需要依靠有效的下行发送和上行接收算法来抑制用户间乃至小区间的同频干扰。传输与检测算法的计算复杂度与天线阵列规模和用户数量直接相关。
3、信道状态信息测量与反馈技术
对于MIMO技术的应用，信道状态信息（CSI）的测量、反馈以及参考信号设计至关重要。为了在衡量信道状态信息测量开销和精度之间取得平衡，除了传统的基于码本的隐式反馈和基于信道互易性的反馈机制外，还可以考虑分级CSI测量与反馈、基于Kronecker运算的CSI测量与反馈、压缩感知以及预体验式等新型反馈机制。
4、覆盖增强技术及高速移动解决方案
天线规模的扩展对业务信道的覆盖会带来巨大的增益，但对于需要有效覆盖整个小区内所有终端的广播信道而言，可能会带来一些不利影响。在这种情况下，类似内外双环波束
5、多用户调度与资源管理技术
大规模天线技术为无线接入网络带来了更精细的空间划分和更多的自由度，因此基于大规模天线的多用户调度技术、业务负载均衡技术以及资源管理技术将带来可观的性能提升。
6、大规模有源阵列天线技术
在大规模天线前端系统中，可以将其结构分为数字阵列和数模混合阵列两种类型。鉴于复杂性、功耗和成本等因素，数模混合的阵列架构在高频段将具备广泛的应用潜力。大规模有源阵列天线的构架、高效、高可靠、小型化、低成本以及模块化收发组件、高精度监测和校准方案等关键技术将直接影响到大规模天线技术在实际应用环境中的性能和效率，并且这些技术将成为决定大规模天线技术是否能够最终进入实用化阶段的关键环节。
7、预编码技术
预编码技术是指在下行链路发送端利用信道状态信息（CSI）对发送信号进行预处理的技术。通过获取完整的信道状态信息，发送端可以预先消除无线信道引起的干扰，包括多根发送天线之间的天线间干扰和多用户在相同时间和频率资源上传输所产生的干扰。这样做的目的是保证通信的可靠性，提高系统性能。预编码技术主要包括ZF预编码、MF预编码、MRC预编码和MMSE预编码等编码方式。
大规模天线技术为系统的频谱效率、用户体验和传输可靠性提供了重要保障，并且为异构化和密集化的网络部署环境提供了灵活的干扰控制和协调手段。随着一系列关键技术的突破和器件、天线等技术的进一步发展，大规模天线技术必将在5G系统中发挥重要作用。
五、MIMO技术未来的发展
关于大规模天线技术未来的发展方向，在5G NR商业化进程中需要根据实际的部署场景进一步加强不同方面的功能，其中包括：
针对高速车辆场景，进一步降低时延和开销，减少波束失败的概率，以满足车辆移动时的需求。
虽然Rel 16对上行波束选择的增强进行了研究，提供了一些用于提升上行覆盖的潜在方案，但标准化工作尚未完成，需要进一步完善。
除了下行数据信道中多个发送点的优势外，还可以包括密集部署在宏小区或异构网络环境中的多点发送。
进一步增强上行导频SRS的性能，提升容量和覆盖范围。
在Rel 16中已经增强了Type II CSI，未来可以进一步改进低频FDD部署下多个发送点/面板的CSI设计，并更好地利用信道统计信息和时延特性来进行联合传输。
