基于智能天线MIMO的广域无线网络设计

送两个完全不同的数据流，从用户看来相当于将数据速率提高了一倍。与单独的MISO或SIMO处理相比，这种方式在最佳状态下具有材料上的优势，这种MIMO优势的取得不需要增加额外的带宽和功率。一般会降低单天线链路性能的多径传输在MIMO方式中反而会提高信道效率和质量。

MIMO 系统能够利用多径传播的前提是在传播环境中存在这些空间维数，对这一点的理解非常重要。在图2中，一共有4幅天线，但只有两条主导路径。在这种情况下即使有4幅天线也只能形成两条数据流。因此MIMO性能与系统应用环境中多径的丰富程度密切相关。幸运的是，在许多环境中存在足够多支持多个并行数据流的散射和多径传播。

信息理论的研究表明，如果链路两端都使用多幅天线，那么代表了数据速率上限的系统容量将随天线数量的增加而呈线性增长(在确定的信道前提下，并保持整体功率不变)。具有相同数量发送和接收天线的不同MIMO系统的理论容量如图3所示，8×8

图2：具有两个主导传播路径的通信信道在MIMO方式下可以使用户数据速率加倍。值得注意的是，多天线处理可以完成波束整形，从而使信号沿着感兴趣的信道传播，而另外一个主导信道上不传信号。

MIMO系统(即链路的每端有8幅天线)的容量最多可以达到单天线系统容量的8倍。考虑所有的网络的运营和资本开支，MIMO技术提供的性能和经济效益要比单天线系统高出许多。特别是对于高数据速率的业务，比如真正的宽带接入、IPTV和大型文件传输，在这些应用中受限的带宽会引起严重的问题，而MIMO 技术则是很有前途的一种解决方案。

图3的预测值只表征了理想系统的性能极限。信息理论对如何达到这些极限值没有提供太多的实用性指导意见，实际系统面临着如何充分利用信道提供的空间维度的挑战。大体上有三种主要推荐的信道利用方法，前两种方法着重单条链路的性能，第三种着重整个网络性能：

1. 提高数据速率
上文讨论的技术(如图2中所示)通常称为空间复用。对于有丰富散射环境的信道来说，通过在每幅天线上发送独立的信息流可以提高数据速率，使用较为成熟的接收器技术可以将不同的数据流分离开来并进行单独解码。例如使用4幅发送和4幅接收天线的系统容量将达到单天线系统的4倍。

2. 通过分集技术改善服务质量
相反，如果在多幅天线多个符号(symbol)上发送相同的信号，那么就可以改善传输的可靠性，而不是提高数据速率。实际上在不同天线和不同时间点发送多份信号拷贝的这种技术提供了空间-时间的分集。同时在空间和时间上传播或编码信息符号的技术被称为空间-时间编码技术。

3. 通过减轻干扰获得更高的数据速率和更好的服务质量
MIMO 系统中利用空间维度的另外一种适合更多干扰环境的方法是优化整个系统中的射频能量分布，尽量减少网络中共信道干扰的产生和敏感度。本文最后部分将详细讨论这种方法。利用更高的SINR(更高的SINR可实现更高的调制等级，因此链路可达到更高的数据速率)和经典分集(可增加链路稳定性)，这种方案可以提供更高的数据速率和更具鲁棒性的链路。就像在MISO系统中，基站用多个空间信道来实现客户设备一致的组合能量那样，这些信道被客户端用来改善这些空间’方向’中的有效灵敏度(像SIMO系统那样)，降低基站发送所需的功率。相反的过程在上行链路上完成。基站和客户设备通过自动一致地运行降低系统中的干扰水平。就像后文所要讨论的那样，整个网络性能是广域网系统优化的关键方面，而降低干扰是提高宽带网络性能的主要驱动力。

全球的研究实验室业已证明MIMO技术在早期的无线局域网应用中的实际可行性，其系统容量非常接近实验室中同时使用空间复用和空间-时间编码技术所能达到的理论预测值。由于在最初应用中获得了巨大性能增益，MIMO技术很快走出实验室，并应用于实际的WLAN产品中。

MIMO早期在WiFi上取得的成功

宣传最多的MIMO实现是在固定的无线局域网环境中，在这种环境中MIMO的最大好处是提高了单个用户设备的吞吐量。特别是家庭和企业级WLAN所具有的多个特性使它们成为最早采纳MIMO的理想候选网络，这些特性包括：

1. 丰富的散射
大多数WiFi系统都处在有大量散射条件的环境中，如室内或密集的城市建筑物间。在这些环境中通常有多条传播路径或空间维度可用来形成多个流。事实上，室内环境与获得图3所示的容量随天线数量增加而呈线性增长所需的条件非常相似。
2. 独立部署
获得快速部署的一个重要因素是WiFi设备通常是最终用户自己购买的，并且在他们自己的网络中是独立部署的。不同MIMO WiFi解决方案的互操作性并不成问题，就像IEEE 802.11n产品在公共MIMO标准获得一致意见之前取得成功所表明的那样，允许快速部署MIMO技术，不需要等到标准的统一。
3. 有限的干扰
同样关键的是WiFi环境非常接近研究MIMO技术的理论假设。由于WiFi网络的短距离和动态信道分配特性，MIMO接收器一般工作时没有很大的共信道干扰。如果工作在没有补偿的共信道干扰环境中，这些解决方案的性能会很快下降。