基于多天線的多輸入多輸出(MIMO)通信最初于1990年代中期進入人們的視線。當時，貝爾實驗室和斯坦福大學的研究人員在尋找在不增加帶寬的條件下增加系統吞吐量的方法。此后的10年間，關于MIMO技術，就其物理層(PHY)和網絡層沿革演繹等話題陸續發表了幾千篇論文。期間，MIMO逐步走進商用無線系統，其普及程度眼下已達到這樣一個規模：所用高吞吐量的商用標準(如：WiMax、 Wi-Fi和蜂窩等)都把MIMO作為其一部分(即便不是強制也是選項)。而軍用無線通信系統對MIMO的采用在一定程度上落后于商用領域。目前，由美國 DoD網絡信息中心資助的純粹以MIMO為核心的項目是國防高級研究計劃屬(DARPA)移動網絡MIMO(MNM)計劃。該計劃是為期數年、經費數百萬美元的一項工作，它旨在從如下方面提升MIMO技術的潛能：(a)在都市峽谷地帶提供可靠通信；(b)顯著拓展傳統單天線無線系統的覆蓋距離；(c)改善各獨立鏈路的可靠性；(d)與目前基于SISO(單輸入單輸出)的射頻比，力爭把移動自組織網絡(MANET)的吞吐率最少提升10倍以上。郎訊科技是該計劃第一階段執行人，而Silvus Technologies被選為該計劃第二和第三階段執行人。

本文闡述了MIMO技術及其不同的變種技術，對其在軍事戰術通信領域內的應用優勢進行了量化，并重點討論高效MIMO開發/評估平臺必須提供的關鍵能力。

MIMO介紹

由貝爾實驗室Telatar、Foschini和Gans等人開創的先驅性工作展現出采用MIMO的無線通信系統在無需任何額外帶寬的前提下，可將系統性能提升最少一個數量級。

一個MIMO無線系統包含N個發射天線和M個接收天線。但與單信息流(稱為x(t))在全部發射器上進行發射并由接收天線進行接收的相陣系統不同，MIMO系統用不同天線發射稱為x(t)、y(t)、z(t)等的不同信息流。它們是在相同頻段被同時發射的獨立信息流。這些信號并不會相互干擾，到達各接收天線的接收信號實際上是發射的N個不同信號的線性疊加。

圖1是具有三個發射和接收天線的MIMO系統。三個接收天線分別接收到的信號r1(t)、r2(t)和r3(t)是x(t)、y(t)和z(t)的線性組合。系數{aij}表示相對于每個發射-接收天線對的衰減的信道權重，這樣得到一個具有三個方程和三個未知量的系統，如下式所示。

一般來說，為使MIMO系統發揮其潛能，信道系數{aij} 的矩陣A必須是可逆的。隨著發生器和接收器附近路徑和反射數量的增多，需要A被逆轉的可能性也在增加。在空間獨立的瑞利(Rayleigh)衰落環境下，其影響是：實質上可獲得的NM水平具有多樣性，并且可以建立min(N，M)個獨立并行信道。多樣性增加將導致顯著降低相同性能水平所需的總體發射功率。另一方面，并行信道數的增加等同于在相同帶寬內增加了可獲得的數據速率。

我們現在對工作在典型瑞利衰落無線信道下基于MIMO的系統的好處進行量化。圖2對可達到95%能力(所遇到的無線信道中，95%所能達到的最小能力；或換句話，對一個給定信道來說，其能力有95%的可能比圖中所示的能力強)的單天線系統(黃點)與相陣多天線系統(藍曲線)及MIMO系統(紅曲線)進行了比較。如圖所示，相陣系統的能力隨天線尺度的增加呈對數方式增長，而MIMO系統呈線性增長。對四天線系統來說，相陣系統提供8bps/Hz的容量，而MIMO系統可達19bps/Hz。值得關注的是，在相陣系統中，必須對相陣系數進行計算以使波速指向“最佳方向”。當環境中有散射元素時，這樣做很困難。MIMO系統就不受該問題的困擾，因解碼MIMO信號時，環境的幾何因素和其它反射源的位置業已被自動計算在內。

現以不同視角考慮MIMO系統的好處。假定需要一個固定的容量，如1bps/Hz，并問如下一個問題，“為獲得1bps/Hz的95%的容量，總共需多大發射功率？”結果在表1中所示。如表中所示，隨著MIMO系統中天線數的增加，獲得同樣數據吞吐率所需的接收功率越來越小。因此，若傳統單天線系統需1W發射功率才能獲得一定吞吐率，則一個8 × 8 MIMO系統只需6mW功率就可獲得相同性能。

多種MIMO模式

空間復用MIMO系統的出現已吸引了眾多人的關注。空間復用MIMO方法已被建議用來解決任何/所有無線通信問題。實際上，有四種獨立的多天線MIMO技術可供系統設計師選擇。

· 空間復用(SM-MIMO)。在無線信道的本征模式(eigen-mode)，多個天線被用來創立空間上獨立的鏈接。空間復用系統通過在不同發射天線上發射不同數據來提升吞吐率，這樣就可在不增加帶寬的前提下，顯著提升吞吐率。空間復用系統的缺點是在接收器側需高度復雜的矩陣轉換操作，而且當系統進入“全復用”(空間流數等于發射天線數，也就等于接收天線數)模式時，對信道損害更敏感。

· 空-時編碼(STC-MIMO)。空間-時間編碼系統通過在分別定義為時間、頻率和空間的三坐標信令系統外增加冗余的方法來獲得編碼增益。它們還可用于提供發射多樣性增益。與空間復用系統比，STC-MIMO系統在提高通信魯棒性時并不顯著增加吞吐率增益。此外，STC-MIMO很適合發射器也許使用多于接收器天線的非對稱條件。

· 分集系統(DIV-MIMO)。分集是多天線處理的傳統形態，它在發射器和接收器間創建獨立信道，并在全部獨立信道上發射相同信號并將接收到的信號以最優化的方式組合起來，能應對快速衰減的影響。

· 智能天線(SA-MIMO)系統。它是一種可在特定指向上自動適應波束或波束零點(beam-null)的自適應相陣天線系統。

MIMO在軍事通信領域的應用

MIMO技術的實在好處并非僅是簡單地提升吞吐率或可靠性，而是當恰到好處地與射頻的其它因素結合起來時，MIMO可實現真正具有豐富模式的射頻——而這正是適合于高樓林立的都市以及森林地帶所具有的非視域(NLOS)環境的理想射頻技術。這種能力使支持MIMO的系統展示出超越以往單天線射頻的彈性并能更好地滿足戰斗人員和操作環境的需要。

用于軍事通信的例子：

· 對通信中心講(即：地面指揮所、艦對岸或艦對艦通信)，在高吞吐率模式可以高于100Mbps的速率傳輸數據。

· 在非NLOS環境，射頻可利用一種物理模式(如把數據速率降低為10Mbps)以換取更高的服務質量(QoS)。在城市環境中在不同街道行進的一隊坦克可繼續進行交叉通信。

· 在利用干擾裝置力圖施擾通信的環境下，一個通過多個信道發送冗余數據的模式可確保接收機接收到未被干擾的數據。完整性和一致性可拯救生命并有助于使命的完成。

· 在移動環境(即：在開闊地帶行駛的坦克或軍車、搜索目標區域的無人駕駛偵察機)，可采用另一個模式在快速移動的目標間實現高速數據通信。

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· 對隱蔽應用，一些方案可借助豐富的MIMO模式，如采用超低發射功率模式、以降低的數據速率發射數據來消隱電氣痕跡。

· 對實時視頻監視應用(即：邊界或周邊監控、實時戰場監控)言，可采用高吞吐率、高QoS模式。

· 對網狀網來說，一些方案借助了所有反射的好處(即：信號會在數百輛裝甲車輛間發生反射和折射)來提升性能，與此相比，目前的單天線系統在苛刻、強干擾環境下無法正常工作。

MIMO的現場驗證

目前，供應商必須提供包含了天線、RF收發器、基于數據包的基帶處理引擎，以及魯棒和直觀的API的完整射頻模塊(圖3)。Silvus Technologies公司的SC2000等方案是網絡應用的理想選擇，因為任何媒介接入控制(MAC)協議都可對該射頻單元進行操控。用戶(或用戶程序)可以基于單個數據包指定射頻參數。借助300種以上的可選工作模式，這些平臺使用戶能夠對單一數據包進行設置。

MIMO技術及其高效開發平臺 src="http://www.letsgo8.com.cn/uploadfile/2012/0910/20120910115934352.jpg" align=center border=0>

可通過對10個不同參數(每個參數值都具有可選范圍)的操控來實現這些豐富的模式。表2總結了這10個參數及各自的取值范圍。

這個平臺采用兩個FPGA(分別用于MAC和PHY)以及一個PowerPC處理器，可通過USB 2.0或以太網接口該平臺。該平臺在一個FPGA內嵌入了4×4 PHY，最多可連接四個射頻板。這些方案具有更高的性能和成本效益，以及開發基于MIMO系統時的整體效率。一個完整的FPGA快速原型生成系統支持半實物(hardware-in-the-loop)協同仿真和實時處理。另外，它通過如下兩條途徑縮短了開發時間：1，快速概念驗證；2，把基于MIMO的PHY/MAC整合進用戶的具體應用實現。

該工具帶的基線設計是兼容802.11n的PHY+MAC，但該基線設計可擴展至包括消弭干擾協議以及可變帶寬能力。另外，還可用該平臺實現基于FPGA的視頻編解碼器以使能無線視頻流布應用。因可在一個經驗框架下用該評估板確認給定環境下的最優模式，所以還可在設計中利用該工具以配置終端系統。舉個例子，我們考慮用戶想要確認給定環境下的最佳發射模式這樣一種情況。該評估板為用戶提供了完全配置能力、還允許他/她容易地遍歷幾百個參數配置以為手邊的具體應用確認最佳的鏈接參數集。

該評估平臺可用于驗證IP并把該IP與客戶整體方案內的其它元素進行對接。當研究人員擁有這樣一個平臺時，該平臺成為借助先進MAC和網絡協議進行驗證和實