MIMO(多输入多输出)技术是一种利用多个发射和接收天线同时传输数据的无线通信技术，通过空间复用提升信道容量或利用分集增益增强信号可靠性。其核心是通过空时编码、波束成形等技术处理多径效应，在相同频带下实现数倍于单天线的传输速率(如4×4 MIMO理论速率可达单天线4倍)，并显著降低误码率。该技术已广泛应用于Wi-Fi 6、5G等通信系统，支持高清视频、VR等高带宽需求场景，未来将向大规模MIMO(Massive MIMO)和智能反射面等方向演进，进一步突破频谱效率极限。其核心模式主要分为以下三类：
一、 空间复用（Spatial Multiplexing, SM）
原理与目标：在相同频段上并行传输多个独立数据流，通过空间维度提升信道容量。其核心是利用信道矩阵的独立性，将高速数据流分解为低速子流，经不同天线同时发送;接收端通过信号处理算法(如最大似然检测、连续干扰消除)分离并恢复原始数据流。
技术实现：典型方案为贝尔实验室提出的 分层空时码（BLAST） ，包括：
垂直BLAST（V-BLAST） ：数据流直接映射到不同发射天线，接收端采用串行干扰消除。
对角BLAST（D-BLAST） ：数据流在时空域循环映射，抗衰落能力更强但复杂度高。
优势：信道容量随天线数量线性增长(理论容量为 C∝min(M,N)log(SNR)C∝min(M,N)log(SNR)，其中 M,NM,N 为收发天线数)，无需额外带宽或功率。
应用场景：5G Massive MIMO、Wi-Fi 6/7等高速数据传输场景。
二、 分集编码（Diversity Coding）
原理与目标：通过多天线发送同一数据的多个副本，利用空间分集对抗信道衰落，提升传输可靠性。核心是最大化分集增益(Diversity Gain)，降低误码率。
技术实现：
空时分组码（STBC） ：以Alamouti编码为代表，通过正交编码在时域和空域引入冗余，接收端线性合并信号即可满分集增益。例如2×1系统：时隙1发送 (s1.s2)(s1,s2)，时隙2发送 (−s2∗,s1∗)(−s2∗,s1∗)，接收端合并后消除衰落影响。
空时网格码（STTC） ：结合卷积编码与网格调制，提供更高编码增益，但解码复杂度较高(需维特比算法)。
优势：显著提升信道可靠性，适用于高误码率敏感场景(如语音通信)。
分集扩展：
空频分集（SFBC） ：在OFDM系统中将分集扩展至频域，抵抗频率选择性衰落。
极化分集：利用天线极化方向差异增强信号独立性(如自由空间光通信)。
三、 预编码（Precoding）
原理与目标：基于信道状态信息(CSI)动态调整发射信号权重(如波束赋形)，优化信号能量指向接收端，抑制干扰。
分类与实现：
基于CSI的预编码：
完整CSI：发射端已知精确信道矩阵，可通过奇异值分解(SVD)实现最优波束赋形和功率分配(注水算法)。
部分CSI：通过统计信息(如信道协方差矩阵)设计鲁棒性预编码，适用于快变信道。
无CSI的预编码：采用固定码本(如3GPP标准码本)，接收端反馈码本索引以降低开销。
优势：提升信噪比(SNR)、支持多用户干扰消除(MU-MIMO)，是5G波束管理的关键技术。
应用场景：大规模天线基站(Massive MIMO)、毫米波通信。
四、 模式分类的关联与选择
模式互斥性：空间复用与分集编码存在权衡——复用提升容量但牺牲可靠性，分集反之。实际系统常动态切换或混合使用(如MIMO-OFDM结合STBC与子载波复用)。
信道信息依赖：
预编码强依赖CSI反馈。
空间复用和分集编码可在无CSI下工作(如开环Alamouti码)。
扩展模式：
空时多址（STMA） ：为多用户分配独立空时资源，提升系统容量。
空时极化编码：结合极化调制与空时编码，增强抗干扰能力。
总结
MIMO的三大核心模式通过不同机制优化通信性能：
空间复用 → 提升容量(核心：BLAST)
分集编码 → 提升可靠性(核心：STBC/STTC)
预编码 → 优化信号传输(依赖CSI反馈)
实际应用中需根据信道条件、硬件成本及业务需求动态选择或融合模式。例如5G基站结合Massive MIMO(预编码)与空频分集(SFBC)，实现高速率与高可靠性的统一。
