淺談mimo技術(shù)

1、淺談淺談MIMO技術(shù)技術(shù)淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)一、一、MIMO技術(shù)簡介技術(shù)簡介 二、基本原理二、基本原理 三、空時(shí)編碼三、空時(shí)編碼四、應(yīng)用及展望四、應(yīng)用及展望淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù) MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)即是多輸入多輸出技術(shù)，是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，信號通過發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善每個(gè)用戶的服務(wù)質(zhì)量（誤比特率或數(shù)據(jù)速率）。 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MISO系統(tǒng) SIMO系統(tǒng) 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù) 早在1908年馬可尼就提出用它來抗衰落。在70年代有人提出將多

2、入多出技術(shù)用于通信系統(tǒng)，但是對無線移動通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動的奠基工作則是由AT&TBell實(shí)驗(yàn)室學(xué)者完成的。MIMO的發(fā)展歷史淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù) 1995年Teladar給出了在衰落情況下的MIMO容量；1996年Foshinia給出了一種多入多出處理算法對角-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等討論了用于多入多出的空時(shí)碼；1998年Wolniansky等人采用垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(V-BLAST)算法建立了一個(gè)MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)試驗(yàn)中達(dá)到了20bit/s/Hz以上的頻譜利用率。MIMO的發(fā)展歷史淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)

3、 至2010年年底，IEEE數(shù)據(jù)庫收錄該領(lǐng)域的研究論文已達(dá)上萬篇，從MIMO無線通信技術(shù)的理論研究到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再到商用化的各個(gè)方面。目前，國際上很多科研院校與商業(yè)機(jī)構(gòu)都爭相對MIMO通信技術(shù)進(jìn)行深入研究。MIMO的發(fā)展歷史淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的技術(shù)特點(diǎn) 采用空時(shí)處理技術(shù)進(jìn)行信號處理，在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率 ，使得系統(tǒng)能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 技術(shù)概念簡單，任何一個(gè)無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個(gè)天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個(gè)無線MIMO 系統(tǒng)。 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的技術(shù)特點(diǎn)點(diǎn)到點(diǎn)的固定

4、微波系統(tǒng)中也只有10 12 bit/s/Hz MIMO 技術(shù)在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到20 40bit/s/Hz傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動蜂窩中的頻譜效率僅為15 bit/s/Hz淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)一、一、MIMO技術(shù)簡介技術(shù)簡介 二、基本原理二、基本原理 三、空時(shí)編碼三、空時(shí)編碼四、應(yīng)用及展望四、應(yīng)用及展望淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù) MIMO信道是在收發(fā)兩端使用多個(gè)天線，每個(gè)收發(fā)天線之間形成一個(gè)MIMO子信道，假定發(fā)送端存在nR個(gè)發(fā)送天線，接收端有nT個(gè)接收天線，系統(tǒng)框圖如圖所示： MIMO的基本原理淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù) 在系統(tǒng)的每一個(gè)符號周期內(nèi)，發(fā)送信號

5、可以用一個(gè)nT1 的列向量x =x1 x2 xi xnT T表示，其中xi表示在第i 個(gè)天線上發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送信號的協(xié)方差可以表示為 MIMO的基本原理發(fā)送信號的功率可以表示為淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理 MIMO系統(tǒng)的信道用一個(gè)nRnT的復(fù)數(shù)矩陣H描述，其中hij 表示從第i個(gè)發(fā)送天線到第j個(gè)接收天線的信道衰落系數(shù)。 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理 接收信號和噪聲可以分別用兩個(gè)nR1的列向量y和n表示。n均值為0，功率為2 。通過這樣一個(gè)線性模型，接收信號可以表示為 接收信號的功率可表示為 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理 對于分別

6、配有nT 根發(fā)射天線和nR 根接收天線的MIMO信道，發(fā)射端在不知道傳輸信道的狀態(tài)信息條件下，如果信道的幅度固定，則信道容量可以表示為 式中的min為nT 和nR 的最小數(shù)，為信噪比，矩陣Q的定義如下： 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理（1）全“1”信道矩陣的 MIMO系統(tǒng) 如果接收端采用相干檢測合并技術(shù)，那么經(jīng)過處理后的每根天線上的信號應(yīng)同頻同相，這時(shí)可以認(rèn)為來自nT 發(fā)射天線上的信號都相同， si = s, i = 1, 2, , nT ，第j 根天線接收到的信號可表示為rj = nT si = nT s, j =1, 2, , nR ，且該天線的功率可表示為 淺談淺談M

7、IMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理 則在每根接收天線上取得的等效信噪比為nT，因此在接收端取得的總信噪比為nTnR。此時(shí)的多天線系統(tǒng)等效為某種單天線系統(tǒng)，但這種單天線系統(tǒng)相對于原來純粹的單天線系統(tǒng)，取得了nT nR 的分集增益，信道容量可以表示為 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理 如果接收端采用非相干檢測合并技術(shù)，由于經(jīng)過處理后的每根天線上的信號不盡相同，在每根接收天線上取得的信噪比仍然為 接收端取得的總信噪比為nR，此時(shí)等效的單天線系統(tǒng)與原來純粹的單天線系統(tǒng)相比，獲得了nR 倍的分集增益，信道容量表示為 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理（2）正交傳輸

8、信道的MIMO系統(tǒng) 對于正交傳輸?shù)腗IMO系統(tǒng)，即多根天線構(gòu)成的并行子信道相互正交，單個(gè)子信道之間不存在相互干擾。為方便起見，假定收發(fā)兩端的天線數(shù)相等（nR nT L），信道矩陣可以表示為： I L為LL的單位矩陣 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理信道容量為： 與原來的單天線系統(tǒng)相比，信道容量獲得了L倍的增益，這是由于各個(gè)天線的子信道之間的耦合的結(jié)果。 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理 如果信道系數(shù)的幅度隨機(jī)變化，MIMO信道的容量為一隨機(jī)變量，它的平均值可以表示為式中，r 為信道矩陣H得秩， r = min(nR , nT ) 下圖是MIMO信道容量累計(jì)概

9、率分布曲線圖，它反映了信道容量累計(jì)分布與發(fā)射和接收天線數(shù)得變換關(guān)系。 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO的基本原理 目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一是空時(shí)編碼，空時(shí)編碼技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了空分多址?？諘r(shí)碼利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。總之MIMO技術(shù)有效利用了隨機(jī)衰落和多徑傳播力量，在同樣的帶寬條件下為無線通信的性能帶來改善。淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)一、一、MIMO技術(shù)簡介技術(shù)簡介 二、基本原理二、基本原理 三、空時(shí)編碼三、空時(shí)編碼四、應(yīng)用及展望四、應(yīng)用及展望淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)空

10、時(shí)編碼空時(shí)塊編碼（STBC）空時(shí)格碼（STTC）分層空時(shí)碼（LST） 具有良好的分集增益 。 不僅具有優(yōu)良的分集增益，還具有良好的編碼增益 ?？色@得較高的復(fù)用增益。 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)STBC編碼 空時(shí)塊編碼（STBC）能使MIMO系統(tǒng)獲得良好的分集增益，其本質(zhì)是將信號經(jīng)過正交編碼后由多根天線發(fā)送，由于經(jīng)過正交編碼后的信號相互獨(dú)立，所以在接收端可以很容易的將信號區(qū)別開來。在接收端只需進(jìn)行簡單的線性合并即可獲得發(fā)送信號。 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)STBC編碼 以雙天線為例，又稱為Alamouti STBC編碼器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)STBC編碼

11、 信源發(fā)出的二進(jìn)制比特信息首先進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，調(diào)制為M=2m進(jìn)制的符號。然后Alamouti STBC編碼器選取連續(xù)的兩個(gè)符號，根據(jù)下式映射為發(fā)送信號矩陣。 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)STBC編碼 天線1發(fā)送信號矩陣X的第一行，天線2發(fā)送信號矩陣的第二行。Alamouti STBC是在時(shí)域和空域上進(jìn)行編碼。令天線1和天線2的發(fā)送信號矢量分別為 可以明顯地看出兩根天線發(fā)送的信號矢量是相互正交的，即淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)STBC編碼 相應(yīng)地，編碼矩陣的特征如下式所示：其中，I2是22的單位矩陣。 假設(shè)接收機(jī)采用單天線接收。天線1和2所發(fā)送的信號所經(jīng)歷的信道響應(yīng)系數(shù)分別為淺談淺談MIM

12、OMIMO技術(shù)技術(shù)STBC編碼 在接收端，相鄰兩個(gè)符號周期接收到的信號可以表示為 其中，n1和n2 表示第一個(gè)符號和第二個(gè)符號所受到的加性白高斯噪聲的干擾。淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)STBC譯碼 在接收端采用最大似然譯碼器進(jìn)行譯碼，其結(jié)構(gòu)如圖： 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù) 假設(shè)在接收端可以獲得理想的信道估計(jì)，且每個(gè)信號落到信號星座圖上的概率是等概的，則最大似然譯碼算法要求在信號星座圖上選擇一對信號 來最小化與接收信號之間的歐氏距離，即 STBC譯碼 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)將代入可得最大似然譯碼準(zhǔn)則為 STBC譯碼 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù) 其中，C表示調(diào)制符號對的

13、組合 。 是判決統(tǒng)計(jì)量，表示為 上式可進(jìn)一步簡化為 STBC譯碼 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù) 由此可知，給定信道的沖激響應(yīng)，則兩個(gè)判決統(tǒng)計(jì)量分別為各自發(fā)送信號的函數(shù)。則最大似然準(zhǔn)則可分解為獨(dú)立的兩個(gè)準(zhǔn)則，即STBC譯碼 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)當(dāng)采用MPSK調(diào)制時(shí)，對于所有的信號點(diǎn) ，i=1, 2 是常量，因此，最大似然判決準(zhǔn)則可以進(jìn)一步簡化為STBC譯碼 淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)一、一、MIMO技術(shù)簡介技術(shù)簡介 二、基本原理二、基本原理 三、空時(shí)編碼三、空時(shí)編碼四、應(yīng)用及展望四、應(yīng)用及展望淺談淺談MIMOMIMO技術(shù)技術(shù)MIMO技術(shù)的應(yīng)用 在3GPP(第三代協(xié)作伙伴項(xiàng)目)的高速下行鏈路分組接入方案（H