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MIMO 表示多输入多输出。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，……，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。
利用MIMO技术可以提高信道的容量，也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益（称为空间复用），后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益（称为发射分集）。根据收发两端天线数量，MIMO系统还可以包括 普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，以及SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。注意，这里的Input, Output是针对从发射端到接收端的通道而言。
LTE的MIMO模式协议中共定义了7种 （36.213）（以下未特别说明的，都是针对LTE下行而言）:
1.单天线端口，端口0；
2.发射分集；
3.开环空间复用；
4.闭环空间复用；
5.多用户MIMO（MU-MIMO）；
6.闭环RANK=1预编码；
7.单天线端口，端口=5。
LTE中下行PDSCH的发送过程，大致可以分成：
1）对于来自上层的数据，进行信道编码和速率适配，形成码字（Codeword）。
2）对不同的码字进行调制，产生调制符号；
3）对于不同码字的调制信号进行层映射（Layer Mapping）；
4）对于层映射之后的数据进行预编码(Precoding)，映射到天线端口上发送。
在LTE系统中，一个码字，指的是一个独立编码的数据块，在发送端，对应着一个MAC层传到物理层的独立传输块TB（Transport Block），通过块CRC加以保护。在LTE的下行中，HARQ进程是针对每个Codeword来进行的，每个HARQ进程都需要上行的ACK/NACK反馈。同时，上行CQI的上报过程也是针对每个Codeword来进行的。为了降低上行的反馈信令开销，LTE中只使用了两个码字，在一个 TTI内，在相同的时空资源上，最多只能同时接收与发送2个TB。
对于空间复用来说，天线的层（Layer）数定义为MIMO信道矩阵的秩（Rank），也就是独立的虚拟信道的数目。举例来说，对于4发2收的天线系统，在不同的信道环境下，其天线的层数可能是1或者2，最大不会超过接收和发送两端天线数目的最小值（这里是2）。对于空间复用来说，可以使用1个码字或2个码字，尽管天线的层数可以是1到4。码字到层的映射关系如下图所示：
单用户空间复用MIMO可以分为开环和闭环两种形式。对于闭环空间复用，UE向eNodeB反馈RI(Rank Indicator)，PMI (Precoding Matrix Indicator)，以及CQI (Channel Quality Indicator)。eNodeB根据UE的反馈值，以及其他的一些参考因素，例如需要传输的数据，可用的传输功率等，来为UE分配相应的传输模式。
在某些情况下，例如UE高速移动或者上行反馈开销过大的情况下，eNodeB可能无法获得可靠的PMI，此时可以采用开环空间复用，eNodeB为UE分配预制的空间复用模式和编码矩阵。
| Number of layers | Number of codewords | Codeword-to-layer mapping |
| 1 | 1 | CW0 -> Layer0 |
| 2 | 2 | CW0-> Layer0, CW1->Layer 1 |
| 2 | 1 | CW0->layer 0,1 |
| 3 | 2 | CW0->layer0, CW0->layer 1,2 |
| 4 | 2 | CW0->layer0,1, CW1->Layer 2,3 |
LTE中，也支持多用户MIMO，eNodeB可以在相同的时频资源上，调度多个用户，实际上，多用户MIMO是LTE研究的热点之一。在Rel8中，MU－MIMO下的UE只能采用RANK 1的传输模式，也就是说，每个UE只能使用1层来进行传输数据。
在LTE中，发射分集可以应用到PDSCH， PBCH，PCFICH，PHICH以及PDCCH等信道（包括单天线端口，端口0）。其余的MIMO模式只能应用到PDSCH。对于发射分集来说，天线的层数等于发射端口的数目，为2或4，无论是2层还是4层，都只使用一个码字，映射到所有的层上。发射分集主要用于提高信号传输的可靠性，例如采用空频块编码（SFBC）、频率切换发射分集（FSTD)及天线切换分集等。从36.211 Section 6.3.4.3可以看出，LTE中无论对于2个天线端口还是4个天线端口的情况，分集的数目都是2（在每个符号上，同时发射的只有2个天线端口，在不同的符号上，按一定的规律进行天线切换）。
LTE中的“闭环RANK=1预编码”属于一种波束成型。实际上也是单用户闭环MIMO的一种特殊形式。
| 模式 | 传输模式 | 技术描述 | 应用场景 |
| TM1 | 单天线传输 | 信息通过单天线进行发送 | 无法布放双通道室分系统的室内站 |
| TM2 | 开环发射分集 | 同一信息的多个信号副本分别通过多个衰落特性相互独立的信道进行发送 | 信道质量不好时，如小区边缘；有时也用于高速的情况；分集能够提供分集增益；增强小区覆盖 |
| TM3 | 开环空间复用 | 终端不反馈信道信息，发射端根据预定义的信道信息来确定反射信号 | 信道质量高且空间独立性强时；终端运动时性能好；提高用户吞吐率 |
| TM4 | 闭环空间复用 | 需要终端反馈信道信息PMI（Pre-coding Matrix Indicator 预编码矩阵指示），发射端采用该信息进行信号预处理以产生空间独立性 | 信道质量高且空间独立性强时，终端静止时性能好；提高用户吞吐率 |
| TM5 | 下行多用户MIMO | 基站使用相同时频资源将多个数据流发送给不同用户，接收端利用多根天线对干扰数据流进行取消和零陷 | 提高小区吞吐量 |
| TM6 | 单层闭环空间复用 | 终端反馈信道的秩RI=1时，发射端采用单层预编码，使其适应当前的信道 | 增强小区覆盖，主要适合于小区边缘的情况 |
| TM7 | 单流波束赋形模式 | 发射端利用上行信号来估计下行信道的特征，在下行信号发送时，每根天线上乘以相应的特征权值，使其天线阵发射信号具有波束赋形效果 | 信道质量不好时，如小区边缘；增强小区覆盖 |
| TM8 | 双流波束赋形模式 | 结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率 | 提高吞吐率 |
| TM9 | LTE-A | 传输模式9是LTE-A中新增加的一种模式，可以支持最大到8层的传输，主要为了提升数据传输速率 |