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MIMO

多輸入多輸出系統（英語：multi-input multi-output，縮寫MIMO）是一種用來描述多天線無線通訊系統多重路徑傳輸的抽象數學模型，能利用發射端的多個天線各自獨立傳送訊號，同時在接收端用多個天線接收並恢復原資訊。該技術最早是由馬可尼於1908年提出的，他利用多天線來抑制頻道衰落（fading）。根據收發兩端天線數量，相對於普通的單輸入單輸出系統（英語：single-input single-output，SISO），MIMO此類多天線技術尚包含早期所謂的「智慧型天線」，亦即單輸入多輸出系統（英語：single-input multi-output，SIMO）和多輸入單輸出系統（英語：multi-input single-output，MISO）。

了解SISO, SIMO, MISO和MIMO
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由於可以在不需要增加頻寬或總傳送功率耗損（transmit(ting) power expenditure/consumption）的情況下，大幅地增加系統的資料吞吐量（throughput）及傳送距離，MIMO技術於近幾年受到許多矚目。MIMO的核心概念為利用多根發射天線與多根接收天線所提供之空間自由度來有效提升無線通訊系統之頻譜效率，以提升傳輸速率並改善通訊品質。

發展歷史

1990年代，全世界無線通訊領域均針對多天線系統進行研究，希望實作出能指向接收者之波束成型技術（Beamforming），亦即是所謂智慧型天線——一種能使波束聰明地追蹤接收者（即行動電話）的技術，如同有個人持著天線到處移動，就像一道自手電筒射出的光束可追蹤一位在黑暗中移動的人一樣。智慧型天線藉由波束對其指向（亦即對目標接收者）的相長干涉（constructive interference, 建設性干涉）及同時間該波束對目標接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference ,破壞性干涉）來增加訊號增益，以實現上述智慧型天線的優點，並對於此傳送單位上的多天線間，採用一較窄的天線間距來實作此波束。一般以傳送訊號之一半波長作為實體的天線間距，以滿足空間上的採樣定理且避免旁瓣輻射（grating lobes），亦即空間上的混疊。

波束成型技術的缺點乃是在都市的環境中，訊號容易朝向建築物或移動的車輛等目標分散，因而模糊其波束的集中特性（即相長干涉），喪失多數的訊號增益及減少干擾的特性。然而此項缺點卻隨著空間多樣及空間多工的技術在1990年代末的發展，而突然轉變為優勢。這些方法利用多徑（multipath propagation）現象來增加資料吞吐量、傳送距離，或減少位元錯誤率。這些型態的系統在選擇實體的天線間距時，通常以大於被傳送訊號的波長的距離為實作，以確保MIMO頻道間的低關聯性及高分集階數（diversity order）。

MIMO-OFDM複合技術

MIMO與平坦衰落通道（flat fading channels）兼用時最佳，以降低接收端通道等化器之複雜度及維持接收端的低功率耗損，也因此MIMO多半與OFDM結合為複合技術。MIMO-OFDM同時為IEEE 802.16及IEEE 802.11n HT（High-Throughput）的採用標準之一。WCDMA的系統，如HSDPA，亦進行將MIMO技術標準化。

技術分類

 
MIMO channel model

MIMO通訊技術包括以下領域：

  • 空間多工（spatial multiplexing）：工作在MIMO天線組態下，能夠在不增加頻寬的條件下，相比SISO系統成倍地提升資訊傳輸速率，從而極大地提高了頻譜利用率。在發射端，高速率的資料流被分割為多個較低速率的子資料流，不同的子資料流在不同的發射天線上在相同頻段上發射出去。如果發射端與接收端的天線陣列之間構成的空域子頻道足夠不同，即能夠在時域和頻域之外額外提供空域的維度，使得在不同發射天線上傳送的訊號之間能夠相互區別，因此接收機能夠區分出這些並列的子資料流，而不需付出額外的頻率或者時間資源。空間復用技術在高訊號雜訊比條件下能夠極大提高頻道容量，並且能夠在「開迴路」，即發射端無法獲得頻道資訊的條件下使用。Foschini等人提出的「貝爾實驗室分層空時」（BLAST）是典型的空間復用技術。
  • 空間多樣（spatial diversity）：利用發射或接收端的多根天線所提供的多重傳輸途徑傳送相同的資料，以增強資料的傳輸品質。
  • 波束賦形（beamforming）：藉由多根天線產生一個具有指向性的波束，將能量集中在欲傳輸的方向，增加訊號品質，並減少與其他使用者間的干擾。
  • 預編碼（precoding）

以上MIMO相關技術並非相斥，而是可以相互配合應用的，如一個MIMO系統即可以包含空間多工和多樣的技術。

參見

參考文獻

外部連結

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