一、多天线MIMO技术
MIMO 代表 多输入多输出。它是指在通信系统的发射端和接收端都使用多个天线，从而开辟一条通往更高性能和效率的新维度------空间维度。
MIMO的三大增益
1、空间分集增益
目标：对抗信道衰落，提高传输可靠性。
原理：同一数据流的不同副本通过多个独立或近似独立的衰落路径发送。即使某条路径深度衰落，其他路径上的信号仍然可能被正确接收。接收机通过合并这些信号，获得更稳定、更可靠的判决。
关键技术：空时编码，如Alamouti码（用于2发射天线）。
2、空间复用增益
目标：在相同频带和时间内，传输多个并行数据流，从而成倍提高系统容量（峰值速率）。
原理：在富散射环境中，MIMO信道可以分解为多个平行的、独立的"子信道"。系统可以利用这些子信道同时传输不同的数据流。
前提条件：信道需要是"丰富的"，即各天线对之间的传播路径尽可能独立，这通常需要天线间距足够大（一般是半波长以上）和丰富的散射体。
3、波束成形增益
目标：将能量集中到特定方向，从而提高接收信号强度，扩大覆盖范围，并减少对其他用户的干扰。
原理：通过控制每个发射天线信号的相位（和幅度），使得在空间中某些点的信号同相叠加（建设性干涉），而在其他点的信号反相抵消（破坏性干涉）。这相当于形成了一个指向接收机的"能量束"。
实现方式：通常需要信道状态信息。
MIMO模式的权衡：在实际系统中，分集、复用和波束成形增益之间存在一种权衡关系。你不能同时最大化三者。系统需要根据信道条件（如信噪比、相关性）和业务需求（如追求可靠性还是高速率）来动态选择最合适的模式。
二、层映射Layer mapping简介
1、什么是"流" stream
是单个用户的数据被分离成多个在基站BBU内部和RRU内部进行独立处理数据流想象化的描述。
需要引起足够注意的是：这里的流，实际上并不是计算机通信中常见的二进制数据流，而是经过QAM调制后的子载波信号流，是用数字信号表示的模拟的子载波信号的信号流。在QAM调试后，每个子载波承载的是二进制比特流，而经过预编码矩阵后，每个载波不再是单一的承载0或1比特，是承载0和1的子载波的混合！
2、什么是"层" Layer
"层"就是经过预编码矩阵编码后的多个同频率的调制信号流在空间中形象化的描述。就好像是高架桥，把空间分层多个相互不干扰的"层"一样。
而实际上，多个同频率的调制信号流stream在空间中是叠加在一起的，发送端对这4个数据流进行了预处理，而接收端根据发送端的预处理和自身收到的叠加在一起的信号，对信号在进行分离，还原出原先的多个同频率的调制信号流stream的信号。有点类似码分复用CDMA。
4T4R MIMO代表的是4个流，而不是物理上4个天线！传输层的个数，即层数被称为"传输阶"或"传输秩（rank）"。传输秩是可以动态变化的。
3、什么是"层"映射
（1）"层"映射发生的时机
在QAM调制之后。
（2）"层"映射的输入：上图中的数字，代表的不是二进制比特，而是代表的承载二进制比特0和1的子载波的幅度值。上图中的数字序列，代表的不是二进制比特序列，而是代表的承载二进制比特0和1的15K子载波的幅度值的序列。
（3）"层"映射功能
按照支持的xMIMO中支持的MIMO"流"的数量x，把代表二进制比特序列的子载波的幅度值的序列，分成x组。
（4）"层"映射结果
以4T4R MIMO为例：得到了4个经过PSK/QAM调制后的15K子载波幅度值的序列。只不过，15K子载波的幅度是复数，且二进制数表示的幅度。
- 每一个流独立的进行OFDM变换。
- 每一个流有独立的IQ天线数据。
- 每一个流有独立的天线发送与接收。
（5）"层"与物理天线个数的关系
通常情况下，"层"与基站的物理天线的个数相等。实际上，多个物理天线可以发送同一个层的信号，这称为单频网或发送分集。因此物理天线的数目可以大于等于MIMO的"层"数。
（6）"层"映射意义
"层"映射后，把原先在时间上串行处理的子载波序列（承载的是二进制数据），变成了在时间上并行处理的N层的"流"。"层"映射后，需要多套并行的硬件电路，并行地处理每一层的"流"。
"层"映射后，体现在RRU与BBU之间的CPRI链路上，就是一个小区有N组的天线数据。比如1T1R的小区，就只有1组IQ天线数据流，而4T4R的小区，就有4组IQ数据流。
（7）"层"映射面临的困境
由于"层"映射发生在物理层编码、物理层调制解调之后，因此，每个流采用了相同的物理编码和调制策略，而不同的"层"的天线数据，在同一时刻，无线信道的状况有可能差异很大，因此无法实现，在同时时刻，不同的"层"之间采用不同的物理编码和调制策略。
三、层映射：从码字到层的转换
在理解了MIMO的基本增益后，我们需要一个过程来组织要发送的数据，使其能够利用多个天线。这就是层映射的作用。
码字：来自上层（如MAC层）的、经过独立信道编码（如Turbo码、LDPC码）和调制的数据块。在LTE和5G NR中，一个终端最多可以同时处理2个码字。每个码字具有独立的混合自动重传请求过程。
层：一个可以被映射到空间资源上的独立的数据流。层的数量被称为传输层数或秩。
层映射的功能：
层映射是一个一对一或一对多的映射过程，它将一个或多个码字解复用并映射到一个或多个层上。
为什么需要这个步骤？
适配信道能力：信道的"秩"（即能支持的最大独立数据流数）是变化的。层映射将码字数据灵活地分配到当前信道能够支持的层数上。
简化设计：信道编码（码字级）和空间处理（层级）被解耦。编码器只需要处理有限的码字数量（最多2个），而空间处理则可以应对更多数量的天线。
映射关系举例：
单码字传输：
1个码字 -> 映射到1个、2个、3个或4个层。
优点：控制信令开销小（只需调度一个码字）。
缺点：所有层共享同一个HARQ进程，如果某一层出错，整个码字都需要重传。通常在信道秩较低时使用。
多码字传输：
2个码字 -> 映射到2个、3个或4个层。例如，在2层传输时，是1码字->1层，2码字->1层。在4层传输时，可能是1码字->2层，2码字->2层。
优点：每个码字有独立的HARQ，更灵活，重传效率高。通常在信道秩较高时使用。
可以把层理解为"虚拟天线"或"空间管道"，它代表了逻辑上的并行数据流。这些流还没有被分配到具体的物理天线上。
三、预编码：从层到天线端口的映射
预编码是MIMO系统的"智能"核心，它负责将层 映射到物理天线端口 上。
核心概念：
天线端口：一个逻辑概念，它可能对应一个物理天线，也可能是多个物理天线通过特定预编码加权后形成的"虚拟天线"。我们通常对天线端口进行测量和建模。
预编码矩阵 (W)：
预编码在数学上通过一个矩阵乘法来实现。假设有 v 个层和 P 个天线端口。
层的信号向量： s = [s1, s2, ..., sv]^T
预编码矩阵： W (一个 P x v 的矩阵)
天线端口发射的信号向量： x = W * s
预编码的三大目的：
实现波束成形：
当预编码矩阵 W 是根据信道矩阵 H 的特征向量构造时，它可以将信号能量集中到主特征方向上，从而最大化接收信噪比。这被称为特征波束成形，是性能最优的方案。
实现空间复用：
预编码可以将多个层映射到天线端口上，并通过对 W 的优化（例如，基于SVD分解的预编码），使得在接收端这些层之间的干扰最小化，从而有效地实现并行传输。
应对天线相关性：
即使在天线间距小、信道相关性高的场景下，通过合适的预编码（如基于离散傅里叶变换向量的码本），仍然可以创建出方向性波束，获得波束成形增益。
预编码的类型：
基于码本的预编码：
发射端和接收端事先约定好一个包含多个预编码矩阵的集合（称为"码本"）。
接收机根据测量的信道，从码本中挑选一个能使性能（如吞吐量）最优的预编码矩阵，并将其索引（PMI）反馈给发射机。
优点：反馈开销小。
应用：LTE和5NR中下行链路的主要方式。
非码本预编码：
发射端根据接收机反馈的完整或部分信道状态信息，直接计算预编码矩阵，而不受限于一个固定的码本。
优点：更灵活，性能可能更优。
缺点：反馈开销大，计算复杂。
应用：在TDD系统中，利用信道互易性，基站可以直接通过上行信道估计来获取下行信道信息，从而计算预编码。
显式波束成形：
在 Massive MIMO 中，预编码更多地直接用于形成窄波束，指向特定用户。这时码本可能非常大，或者直接基于信道估计结果进行计算。
四、三者如何协同工作
我们可以将整个发射链路的信号流看作一个清晰的管道：
码字 (CW) -> 层 (Layer) -> 天线端口 (Antenna Port)
**信道评估：**接收机（如手机）测量下行信道，估算出两个关键信息：
秩指示：当前信道能够支持的最大独立数据流数。这决定了层数 (v)。
预编码矩阵指示：从码本中选出的最佳预编码矩阵的索引。这决定了矩阵 W。
**反馈：**接收机将 RI 和 PMI 反馈给发射机（如基站）。
发射机处理：
层映射：基站根据 RI，将1个或2个码字的数据流，映射到 v 个层上。例如，RI=2，则使用2层传输。
预编码：基站根据 PMI，找到对应的预编码矩阵 W，将 v 个层的数据映射到 P 个天线端口上。
发射：信号从物理天线发射出去。
一个简单的例子：
假设一个2x2 MIMO系统（基站2天线，手机2天线）。
场景：信道质量很好，散射丰富。
接收机反馈：RI=2（支持2个流），PMI=某个特定矩阵。
基站操作：
- 有2个码字（CW1和CW2）。
- 层映射：CW1 -> 层1， CW2 -> 层2。现在有两个并行的数据流。
- 预编码：使用PMI指示的2x2预编码矩阵
W，将[层1， 层2]的信号组合后，分别发送到天线端口1和天线端口2。
效果：实现了空间复用，系统容量翻倍。
如果信道质量差，手机可能反馈RI=1。这时基站会将两个码字的数据（或一个码字）通过层映射放到1个层上，然后预编码矩阵会变成一个2x1的波束成形向量，将能量集中指向手机，实现波束成形增益，以提高可靠性。
五、总结
MIMO技术：提供了利用空间维度的理论框架，旨在获取分集、复用和波束成形增益。
层映射：是一个资源适配过程，它将经过信道编码的码字，灵活地分配到信道所能支撑的多个并行数据流（层）上。
预编码：是一个空间能量控制过程，它将逻辑上的层映射到物理天线端口上，通过智能的加权，最终实现MIMO的波束成形和空间复用增益。
这三者紧密协作，使得现代无线通信系统（从4G LTE到5G NR及未来）能够动态地、智能地在覆盖范围、连接可靠性和传输速率之间取得最佳平衡。