天线技术 – MIMO vs SISO

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虽然单输入单输出（SISO）和多输入多输出（MIMO）这两个词语源于控制工程，但如今提及RF天线时，常常会谈到SISO和MIMO。在控制工程中，SISO系统只有一个输入和一个输出，例如只有两个端口的DUT，可用双端口矢量网络分析仪（VNA）来测量DUT，以获取S参数的2×2矩阵（S11、S12、S21、S22）。控制工程中的MIMO是指具有任意数量或组合的多个输入和多个输出的系统。具有“n”个输入和“m”个输出的MIMO系统最终将具有顺序为nxm的信道矩阵。

在RF的工程设计中，论及天线时，SISO和MIMO适用于两台或多台设备之间的通信信道可能具有的天线“输入”和天线“输出”数量。在此情况下，在SISO RF系统中，仅一台设备的单根天线与另一台设备的单根天线进行通信。不同于控制工程，“输入”和“输出”数量并非是指通信系统的输入和输出，而是指纳入空间多路复用方案中的天线。借助MIMO RF天线，一台设备的发射天线数量和另一台设备的接收天线数量决定MIMO信道的顺序（TX天线×RX天线）。

借助SISO天线系统，一台设备发射的信号将与环境相互作用，并被吸收或反射，具体取决于此类环境变量。最终，从SISO天线系统发射的信号能量可从一条或多条空间路径到达接收天线。在此情况下，最理想的路径是信号能量最高的路径，因为此路径的衰减或失真程度通常很小。而来自其他路径的信号实际上可能产生干扰，此类信号可能因与环境相互作用而降级或延迟。

借助MIMO系统，此类从一台设备到另一台设备的多条空间路径用于增强两台设备之间的通信，或者增加正在使用的有效流数量，或者提高通信信道的可靠性。这两种方法均可增加信道数量，或者提高信道质量、减少错误以及更有效地利用信道容量，从而提高吞吐量。

一种方法是可使用空时发射分集（STTD），通过多个空间信道向接收机发送具有不同编码的多个信号副本，增强通信链路。该方法可提高信号的信噪比（SNR），这意味着位错误更少，对通信链路极限的吞吐量更高。通常，该方法会随着使用的天线数量增加而达到收益递减点，从而产生实际极限。

另一种方法是使用每条空间分集路径（即空间分割多路复用）同时向另一台设备发送不同的信号，从而产生额外通信流。在接收端，此类并行流可分成多个信道，而这在有利条件下，可有效提高吞吐量。

MIMO系统可设计成采用任意一种方法，具体取决于通信链路的最佳结果。为此，MIMO系统需要一种确定空中接口和空间分集选项质量并决定如何最佳优化链路的方法。

如果结合使用波束形成/波束控制技术与MIMO技术，则该系统可得到增强。借助波束形成/波束控制，可修改天线方向图，以更好地匹配从一台设备至另一台设备的空间路径，从而提高增益并确保MIMO链路实现最佳结果。通过这些方法，在特定条件下，MIMO链路在吞吐量（甚至是信号可靠性）方面可能优于SISO链路。但MIMO系统需要额外RF硬件、信号路径、天线及模拟/数字信号处理硬件。在特定条件下，由于MIMO系统通常设计有更适合在矩阵制造的天线（例如贴片天线），且在相同形状系数下可能次于SISO天线，因此，考虑到天线性能，单根优化天线的性能可能优于MIMO系统。

但MIMO技术的主要用例之一是支持从单个基站或路由器至多台用户设备的蜂窝或IoT通信。可通过十分复杂的MIMO基站，同时服务数百台用户设备，而SISO系统则几乎无法满足很高的吞吐量和可靠性需求。