MIMO系统就是在发送端和接收端同时配备多根天线用来发送和接收。MIMO不仅可以保留原来时间和频率的维度，而且可通过空间维度进一步提供信道的容量增益，也就是空间复用（Spatial Multiplexing，SM）增益，同时会带来空间分集（Spatial Diversity，SD）增益和天线阵列增益等。研究成果表明，当多径效应存在并且信噪比较高时，MIMO系统信道容量会随发送天线数和接收天线数中最小值线性地增长，这就充分说明MIMO在提高频谱的效率方面具有巨大的潜力[3]。 近来MIMO技术不仅得到世界各国研究人员广泛的研究，并且其和OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术结合的MIMO—OFDM技术已在WLAN（Wireless Local Area Networks ）领域中得到成功的应用。MIMO越来越多地被应用到各种无线通信的系统中，与此同时，MIMO也在不断被完善。总之，MIMO的核心目的就是，在复杂的时变无线信道中，凭借空间维度，增强链路的可靠性并增加数据的传输速率。

1．3  MIMO模型及应用（单用户MIMO、多用户MIMO）

一般情况下，MIMO系统可分成单用户MIMO和多用户MIMO系统。图1.3.1为典型点对点单用户MIMO的传输模型；图1.3.2为单发送端多接收端的多用户MIMO传输模型；图1.3.3是多发送端多接收端传输模型。

1、单用户MIMO

单用户MIMO如图1.3.1，发送端和接收端配备有数量分别为 与 的天线。发送端可以同时发送 （ ， ）个数据流到达接收端。在平坦的衰落信道MIMO系统，接收信号 可表示为

                         （1.3.1）

其中 为发送信号向量， 是 维信道矩阵， 为长度使 的噪声向量，且 中每个元素都是独立服从于复高斯分布 的。 时，MIMO信道退化为MISO信道； 时，退化为SIMO信道；当 ，信道退化为SISO信道。MIMO信道容量是[8]

                       （1.3.2）

其中 是信噪比。

2、多用户MIMO

由于单用户MIMO信道容量高信噪比时是随着 线性增长的，而现实通信系统中，由于移动终端设备尺寸较小和成本等众多的因素，经常只能配置较小数目天线（1根或2根），而基站却能配置大数目天线，使得信道的容量受限于移动终端天线数。但是，在多用户MIMO中，该问题得到了较好的解决。多用户MIMO可在同样时间与频率资源条件下并行给多个用户传输独立数据流，此称之为空分多址接入（Spatial Division Multiple Access，SDMA），多用户MIMO的信道容量不用再受限于单个的移动终端天线数。多用户MIMO是以预编码技术或波束成形为基础来实现的，且多用户MIMO的发送预编码的技术已被LTE采纳作为备选方案[9]。

在多用户的MIMO系统，发送端配备有 根发送天线，每个移动终端配备有 根天线。发送端 时刻发给用户 的信号是 ，预编码的矩阵是 。假设是窄带平坦的MIMO信道（例如OFDM系统中一个子载波），且具有完美同步。用户 在 时刻接收的信号可表达为

                  （1.3.3）

其中， 是由发送端到接收端 的 维的信道矩阵，可表达为

                       （1.3.4）

式中每元素 均表示发送端第 根天线到达用户第 根天线之间的信道。 为长度是 的高斯白噪声的向量。 为用户 接收到的有用的信号，而 为用户 接收到的干扰和噪声之和。因此，对预编码矩阵 的选择将直接影响每个用户所受干扰以及整个系统的性能。如此，怎样进行用户调度，功率分配和选择合适的预编码矩阵 就成为多用户MIMO的核心问题之一，成为挖掘多用户MIMO的空分复用增益的关键。