频段和信号那些事：浅谈LTE的MIMO多天线技术

我们在许多手机的参数配置中都看到过，该手机支持4*4 MIMO技术，可以大大提升手机信号等等。

不过，终端制造商没有过多的解释什么是4*4 MIMO，消费者也只是记住了MIMO技术能让手机信号更好，但是MIMO到底能不能让手机接收信号变好、MIMO是以什么样的工作原理改善信号质量的，这些对消费者而言，并不是很清楚。

那么到底什么是MIMO呢？它真的能让手机信号变得更好吗？

答案是真的能。

何为MIMO？

MIMO多天线技术是LTE大幅提升吞吐率的物理层关键技术，MIMO技术和OFDM技术一起并称为LTE的两大最重要物理层技术，前者是多天线技术，后者是正交频分复用技术。

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，它与传统的信号处理方式的不同之处在于其同时从时间和空间两个方面研究信号的处理问题，从而能够在不增加带宽与发射功率的前提下，提高系统的数据速率、减少误比特率、改善无线信号的传送质量。

正如前文所说，MIMO是多天线技术，是LTE的物理层技术之一，请注意是物理层技术。

再说这个之前，需要提到一个公式——香农公式。

C=B*log2（1+S/N)

上面的公式中，香农给出了单发射天线、单接收天线的SISO无线信道的极限容量公式。SISO与MIMO相对，MIMO是多输入多输出，SISO是单输入单输出。

B为信道带宽，S/N为接收端信噪比（一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号（或信息），并且该种信号并不随原信号的变化而变化，单位为dB）。

由香农公式我们可以得知，提高SNR或增加带宽可以增加无线信道容量。但发射功率和带宽都是有一定限度的。在一定带宽条件下，SISO无论采用什么样的编码和调制方式，系统容量都不可能超过香农公式极限。目前广泛使用的Turbo码、LDPC码，使信道容量逼近了信道容量极限。

这里需要注意的是，LTE中多天线技术没有突破香农公式定义的极限，而是相当于多个单信道的组合。

我们设定N是发射天线数量，M是接收天线数量，MIMO是一种多天线技术，那么其天线配置则可以表示为N*M；现有的天线配置有1*2（1收2发）、2*2、2*4、4*4等。

假设发射端各天线发射独立的等功率而且各信号满足瑞利分布，根据MIMO系统的信道传输特性和香农信道容量的计算方法，那么我们可以推导出平衰落MIMO系统信道容量近似表达式为：

C={min（N,M）}B*log2（S/2N)

min（N,M）指的是发射天线数量N和接收天线数量M中的最小者。

我们可以看到的是，MIMO系统容量会随着发射端或接收端天线数中较小的一方min（N，M）的增加而线性增加。

2×2天线配置的MIMO系统和2×4天线配置的MIMO系统，其极限容量是差不多大的，因为“N”都是2，但是这并不是说“M”的“4”就没有用。实际上，发射天线数量的翻倍，起到了分集作用，改善了接收端信噪比，增加了下行容量，提高了下行速率。

我们可以简单的将其理解为木桶短板效应。能接收到的信号质量取决于N、M中较小的那一个，也就说你发射的再多，我接收天线的就这么几根，其余都是浪费；或者你发射的就那么一点，我接收天线再多，也是白搭，不是很准确，可以做这么一个理解。

再进一步理解MIMO技术，可以分为两部分。

当多天线在发射信号时，制作同一个数据流的不同版本，分别在不同的天线进行编码、调制，然后发送；接收机利用空间均衡器分离接收信号，然后解调、解码，将同一数据流的不同接收信号合并，还原为初始数据，这个过程我们一般称其为空间分集，将信号分开传输，这样可以保证信号的可靠性。

当然，如果多天线把一个高速的数据流分割为几个速率较低的数据流，分别在不同的天线进行编码、调制，然后发送。天线之间相互独立，接收机利用空间均衡器分离接收信号，然后解调、解码，将几个数据流合并，还原初始信号，这个过程一般叫做空分复用，其目的是为了提高信息传送效率。

空间分集和空分复用是MIMO技术中的两个关键技术，保证了MIMO技术能为用户面带来更好的LTE速率感知——既可靠又高效。

4*4 MIMO技术，中国移动B41专属？

工作原理我们知道了，那么这个MIMO技术在实际生活中的工作场景是怎么样的呢？

小编做了一张图，供大家参考。