MIMO的意义：
频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈，如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。
MIMO技术非常适用于城市内复杂无线信号传播环境下的无线宽带通信系统使用，在室内传播环境下的频谱效率可以达到20-40bit/s/Hz；而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1-5bit/s/Hz，在点到点的固定微波系统中也只有10-12bit/s/Hz。MIMO技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，被认为是新一代无线通信技术的革命。
多入多出(MIMO技术)是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现数据速率，提高传输质量的重要途径。目前，对下一代MIMO无线通信系统进行确切的定义还为时尚早。随着新技术和人们的新要求不断出现，MIMO无线通信技术将作相应调整和进一步发展。纵观无线通信发展规律，我们相信，下一代MIMO无线通信系统的高速率、高质量、大容量的多媒体服务，将使我们的世界更美好。
MIMO的定义：
任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。无线MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理。在多径环境下，无线MIMO系统可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输率。
MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，目前针对MIMO信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。
MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。MIMO技术有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。MIMO技术成功之处主要是它能够在不额外增加所占用的信号带宽的前提下带来无线通信的性能上几个数量级的改善。
MIMO在实践中的应用
在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小了多径衰落的影响。而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效的增加了系统的传输速率，即由MIMO提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，如果我们将OFDM和MIMO两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统很高的传输速率，另一种是通过分集达到的很强的可靠性。同时，在MIMO-OFDM系统中加入合适的数字信号处理的算法能更好的增强系统的稳定性。
MIMO-OFDM系统能够同时增大空间复用技术和OFDM技术的能力，有利于增加系统的容量和高速率的传输。通过多路数据流在发送天线的同时发射，实现了在相同带宽的情况下的多路空间并行信道。这样的系统不仅发挥了OFDM和空间复用技术的优势，同时也有效的利用了空间的并行性和频率选择性。在接收判决一方，将接收信号转化为若干子信号分别通过OFDM的子载波立方式。
MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。因此，MIMO技术可以看作是智能天线的扩展。
在多天线技术中，最受关注的是智能天线技术，国际电联已明确将智能天线技术作为三代以后移动通信技术发展的主要方向。智能天线通常也被称作自适应天线，主要用于完成空间滤波和定位。从本质上看，智能天线利用了天线阵列中各单元之间的位置关系，即利用了信号的相位关系，这是它与传统分集技术的本质区别。从一定意义上看，智能天线可看作是一种空分多址SDMA，在SDMA中，多个用户可共享一个信道，这将极大地增加系统容量。
智能天线技术可以定义为：具有波束成形能力的天线阵列，可以形成特定的天线波束，实现定向发送和接收。智能天线可以利用信号的空间特征分开用户信号、多址干扰以及多径干扰信号。智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵智能天线，简称多波束天线和自适应阵天线。
更高数据速率和越来越复杂的工作特性必然要求下一代无线通信的天线系统提供精确而且灵活的干扰控制。而智能天线提供了一种方案来解决困扰无线网络的根本问题。因此，智能天线一定会在移动通信系统中得到广泛的应用。
根据3GPP 组织的定义，HSDPA---（高速下行分组接入技术）最早是3GPP Release 5规范为了满足上/下行数据业务不对称需求而提出的一种新技术，其目的是在不改变现行WCDMA网络结构的情况下，把下行链路峰值速率提高到10.8M～14.4Mbps。作为WCDMA的演进技术，HSDPA将大大提高系统网络的性能和容量。它不仅能有效地支持非实时业务，同时也可以用于许多实时业务，如流媒体等。
1（第一阶段），通过使用链路自适应和适应性调制（QPSK/16QAM）、HARQ及快速调度等技术，将峰值速率提高到10.8M～14.4Mbps； 在HSDPA Phase ２（第二阶段），通过引入一系列天线阵列处理技术（对于单天线的移动设备，将使用具有波束赋形技术的灵巧天线；对于具有2～4幅天线的移动设备，将引入MIMO技术。），峰值速率可提高到30Mbps；
在HSDPA Phase 3（第三阶段），通过引入OFDM空中接口技术（使用天线阵列处理相结合的OFDM（正交频分多址复用）物理）和64QAM等，将峰值速率提高到100Mbps以上。
不少强调信号传输速度与传输距离的无线网络设备，纷纷开始采用MIMO的技术，推出高传输率的无线网络产品。MIMO技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，成为新一代移动通信系统必须采用的关键技术。
MIMO是一种颠覆性的技术，该技术有望极大地改变未来十年的无线电产业。该技术正在渗透到每一种无线技术标准，包括3G蜂窝网络、WLAN、WiBro、WiMAX、802.20和4G蜂窝网络。很多公司试图将自己定位于利用MIMO OFDM技术，以获得相对于其他技术带来的数据速率、覆盖范围、频谱效率上的好处。
空时编码定义：
最近几年来空时编码技术在无线通信领域引起了广泛关注。朗讯实验室的Forchini和Gans，AT&T的Tarokh及其同事们在这方面作了关键性工作，率先提出了空时编码的概念。空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线，因为空时编码同时利用时间和空间两维信号处理来构造码字，这样才能有效抵消衰落，提高功率效率。并且能够在传输信道中实现并行的多路传送，提高频谱效率。需要说明的是，空时编码技术因为属于空间分集的范畴，所以要求在多散射体的多径情况下应用，天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性，以充分利用多散射体所造成的多径(也称之为充分多径)。
空时编码方案结合了信道编码和多发送天线，通过空时编码后的数据被串并转换成n个数据流，每一路数据流经脉冲形成、调制，然后通过n个天线同时发送到无线空间。在接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接收，每一个接收天线接收到的是n个发送信号与干扰噪声线性的叠加(衰落系数为权重)，然后通过最大似然检测的方法，正确地识别出发送信号。空时译码算法和信道估计技术结合以获得分集增益和编码增益。
空时编码就是针对这个MIMO无线信道衰落的统计特性，设计合理的空时码和解码算法，使得传输效率达到MIMO信道的Shannon极限，从而更好地提高带宽效率。仿真实验表明，使用空时编码传输，将使信道的传输效率提高3到4倍左右。未来第四代通信系统中，在多载波传输、多码道传输、多天线传输模式中，广泛地存在着多输入多输出的向量信道，因此空时编码技术有着非常重要的应用前景。
软件无线电与MIMO技术的相结合：
软件无线电是指研制出一个完全可编程的硬件平台，所有的应用都通过在该平台上的软件编程实现。该技术将能保证各种移动台、各种移动通信设备之间的无缝集成，并大大降低了建设成本。
软件无线电与MIMO技术相结合，将根本改变其实现方式，实现无线宽带通信的技术融合并能容纳各种标准、协议，提供更为开放的接口，最终大大增加网络的灵活性。在未来移动通信中，软件无线电将改变传统的观念，给移动通信的软件化、智能化、通用化、个人化和兼容性带来深远的影响，并将在本世纪形成和计算机及程控交换机相当的巨大产业。
软件无线电技术是最近几年提出的一种实现无线通信的新体系结构。软件无线电技术可与MIMO技术相结合在通用芯片上用软件实现专用芯片的功能，其优势已经得到了充分的体现。软件无线电技术的使用将会给MIMO无线通信系统带来以下好处：
- 可克服微电子技术的不足
- 系统增加功能通过软件升级来实现
- 减少用户设备费用支出
- 可支持多种通信体制并存
- 便于技术进步和标准升级
软件无线电可以充分利用数字化射频信号中的大量信息，评估传输质量，分析信道特点，实施采用最佳接入模式，灵活分配无线资源，实现MIMO移动通信系统的动态管理和优化。从近期发展上看，软件无线电技术可以解决不同标准的兼容性，为实现全球漫游提供方便；从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现可以根据无线电环境的变化而自适应的配置收发信机的数据速率，调制解调方式，信道编译码方式，调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化，从而更加充分的利用频谱资源，在满足用户QoS要求的基础上使系统容量达到最大。
MIMO与OFDM技术的结合：
MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。
MIMO技术可以简单的认为多进多出（MIMO:Multiple Input Multiple Output)技术，是在上个世纪末美国的贝尔实验室提出的多天线通信系统 ，在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道。 因此我们今天看到的MIMO产品多数都不只一根天线。可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。
利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。
MIMO无线通信技术的概念是在任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。MIMO无线通信技术采用空时处理技术进行信号处理，在多径环境下，无线MIMO系统可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输速率。MIMO技术非常适用于室内环境下的无线局域网系统使用。采用MIMO技术的无线局域网系统在室内环境下的频谱效率可以达到20～40bps/Hz;而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1～5bps/Hz，在点到点的固定微波系统中也只有10～12bps/Hz。
可以看出，信道容量随着天线数量的增大而线性增大。利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高，这也是多进多出的最初原理。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。
提到MIMO 技术，就必须提到OFDM技术。OFDM技术是高效的多载波调制技术，是目前第四代移动通信的核心技术。能够有效地对抗多径传播，从而可靠地接收受到干扰的信号。OFDM结合时空编码、分集、干扰（包括符号间干扰ISI和邻道干扰ICI）抑制以及智能天线技术，最大程度的提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步优化。将MIMO系统和OFDM系统结合起来，即构成MIMO OFDM系统，更好地发挥其功效。
MIMO的优势：
实现高速数据传输
MIMO空间复用技术就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径矢量，在同一频带上使用多个数据通道（MIMO子信道）发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而呈线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的一种非常有效的手段。
空间复用是将需要传送的信号经过串并转换成几个平行的信号流，并且在同一频带上使用各自的天线同时传送。由于多径传播，每一副发射天线针对接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号不同来区分各自的数据流。实现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离，这样才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。
下一代无线局域网标准802.11n采用MIMO OFDM技术，传输速率高达320Mbps，净传输速率为108Mbps。
抗干扰能力强
多径干扰同上述与发射信号独立的噪声和干扰不一样，它是发射信号在传播过程中，遇到各种反射体(如电离层、对流层、高山、高大建筑物或建筑群等)引起反射或折射，形成对直接到达接收端的发射信号的干扰，这是所有无线通信，如卫星通信、微波通信、移动通信、短波通信等方式必须面对的十分突出的问题。由于反射或折射是多方向、多途径、与直接到达接收端的发射信号完全相关的，会使接收端的接收信号产生严重的失真、波形展宽、波形重叠和畸变，造成通信系统解调器输出出现大量差错，以至不能正常通信。因此，长期以来，抗多径干扰问题始终是一个难以解决的问题。一般的方法是排除干扰或变害为利。前者是设法把最强的有用信号分离出来，而排除其他路径来的干扰信号，这就是采用分集技术的基本思想。
MIMO无线通信技术通过空间分集来克服无线传输中的信道衰落。空间分集分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为SIMO系统是接收分集，MISO系统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生Rayleigh衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个位置间距大于天线之间的相关距离（通常相隔十个信号波长以上），就认为两处的信号完全不相关，这样就可以实现信号空间分集接收。需要说明的是，空间分集适于在多散射体的多径情况下应用，天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性，以充分利用多散射体造成的多径（也称之为充分多径）。
MIMO技术的关键是能够通过空间分集将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。MIMO技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。
提高频谱效率
MIMO技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图2所示为MIMO系统的原理图。传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k)，i=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收端利用先进的空时编码系统处理、分开并解码这些数据子流，从而达到最佳的效果。
MIMO的挑战：
在未来的宽带无线通信系统中，MIMO存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小了多径衰落的影响。而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地增加了系统的传输速率，即由MIMO提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，如果我们将OFDM和MIMO两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统具备很高的传输速率，另一种是通过分集达到很强的可靠性。同时，在MIMO OFDM系统中加入合适的数字信号处理算法能更好地增强系统的稳定性。
MIMO动态：
当IEEE首次为802.11n WLAN标准考虑天线多样性时，多入/多出(MIMO)天线拓扑结构曾被视为是将网络数据存取速率提升到500Mbps(大约是802.11b的50倍)的通用工具。但是随着802.11n草案芯片在2006年样产，业界的焦点开始集中在IPTV和HDTV视频流所使用的专有天线上。
负责比克奇(北京)业务的总经理蒋颖波博士介绍，目前公司的主要方向包括完整的WiMAX femtocell基站、TD-SCDMA femtocell基站的参考设计和无线通信前沿技术的研发。他提到，北京公司已经建立了相应的架构和10多位研发工程师的团队，项目进展顺利，同时也正在加紧进一步扩大研发团队。
在比克奇(北京)开业典礼上，picoChip还与北京邮电大学无线信号处理与网络实验室签署了进一步扩展在下一代无线通信空中接口等领域的合作协议，双方将携手开发未来几年中多项关键的无线通信技术，包括IEEE802.16m、UMTS-LTE、4G等未来移动通信项目。
picoChip和北京邮电大学的合作主要将是为IP通信和MIMO技术开发OFDMA算法，以提高无线连接的带宽容量。这些技术已经包含在所有主要的下一代无线宽带标准中，但是其时兴建则可能依赖于如picoChip的多核DSP及配套开发工具。目前，该实验室已经开发了可商用的TD-SCDMA解决方案，并配合picoChip公司开发了商用WiMAX基带解决方案。
PicoChip首席技术官Doug Pulley指出：“所有全球下一代空中接口标准都基于带MIMO的OFDMA技术，并且都将是全部IP化的。我们的合作计划将针对WiMAX、UMTS-LTE、802.16m和UWB。相信通过picoChip的多核DSP来实现软件无线电，将为这些标准提供快捷、高性价比解决方案。”
在谈到此次合作的扩大时，北京邮电大学通信工程学院院长、picoChip新任技术顾问委员会委员王文博教授表示，双方的合作已经持续3年之久，从开始时的TD-SCDMA到现在的UMTS-LTE、802.16m以及中国本土的FuTURE等更新的标准和技术，picoArray是实现这些技术的完美平台。
picoArray是picoChip提出的一种粗粒度的超大规模并行异构16位处理器阵列，具有200GIPS与40GMACS功能。据公司提供的资料显示，picoArray比其他可编程信号处理器有明显的MIPS/美元或MIPS/W优势，可以大大降低无线系统的成本及功耗，将会取代包含多块DSP、FPGA及通用控制器的混合架构体系。例如，客户只许选用2块PC102和一块廉价的控制器就可取代5块顶级的DSP、2块大行FPGA和一块高端处理器，减少60％的成本和70％的功耗。
picoArray尤其适用于多任务的复杂系统，例如：在一个基站里包含数据路径和控制面，和采样率、码片率及符号码率功能。它适合于任何一种高级无线协议：HSDPA、WiMAX/WiBRO、TD-SCDMA及802.20。同时，其性能密度还使它成为AAS、MIMO或干扰消除这样特定系统的首选。
完全的软件定义是picoArray的一个关键特性。因此，系统性能能在整个网络上得到改善、进行软件更新或升级到新版本。此特点对于像WiMAX这样不断变化的市场尤为重要，能够使基站从16d升级为16e，再仅通过软件升级到Wave2和MIMO。
最早运用这一技术的公司中﹐可能包括新泽西州企业Magnolia。这家公司于3年前创立﹐拥有资本1,500万美元。
目前，MIMO技术有三大分支。其一是以Foschini为代表人物的分层空时码方向。著名的有贝尔实验室的VBLAST系统；其二是以Alamouti、Tarokh为代表的两天线正交空时码和多天线正交发分集技术编译码算法；另一个重要的研究分支则是空时码（STTC），主要研究如何将信道编码和多天线系统做联合优化，并可在天线数目较小的条件下就可以获得相当大的编码增益。
日前，在美国拉斯韦加斯举办的2006年CTIA无线通信展上，爱立信完成了全球首次基于多输入多输出（MIMO）技术的高速分组接入（HSPA）演示。该演示基于爱立信商用无线基站。采用MIMO技术的HSPA可把下行链路的传输速率提高一倍至28Mbps。
