MIMO天线设计
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第二十七页，共45页。
设计(shèjì)思想：
增大频率(pínlǜ)带宽，便于MIMO系统频段在一定范围内做调整 ；
保证分集接收效果，实现双极化，正负45度正交极化，并工作于 双工模式；
第二十八页，共45页。
改善方向图，控制（垂直，减小；水平，增大）波瓣宽度 提高增益；
采用分集技术，减轻衰落的影响，获得分集增益，提高接 收灵敏度；
第五页，共45页。
什么(shén me) 是MIMO
MIMO是指在发射(fāshè)端和接收端采用多根天线，使信号在空间 获得阵列增益、分集增益、复用增益和干扰抵消等的一种多天线 技术uò)过程
MIMO系统(xìtǒng)配有M根发送天线和 N 根接收天线在发送端经空 时编码形成M个子信息流，送到天线进行发射，并行传送，在接收 端根据不同天线信号在无线信道中的不相关性，通过各种空时检测 技术把并行合流为串行数据流。
➢
分布式MIMO。
第三十六页，共45页。
第三十七页，共45页。
2
1 无线传输(chuán shū) 2 雷达(léidá)
3 智能(zhì nénɡ)电网
第三十八页，共45页。
MIMO技术在雷达领域(lǐnɡ yù)的应用
▪ MIMO技术能使雷达系统通过独特的时间--能量管理技术实现 对个独立宽波束同时照射。主要是通过多个(duō ɡè)天线发射 不同的正交波形，同时覆盖较大空域，并利用长时间相干积累 来获得较高的信噪比。
第七页，共45页。
MIMO系统(xìtǒng)的特 点：
壹 各个(gègè)天线之间的距离足 够大，防止信号间过大的相关 性
贰 任意无线信道是相互独立或
具有很小的相关性
第八页，共45页。
MIMO技术(jìshù)是如何提高信道容量
第九页，共45页。
在收发(shōufā)天线之间形成了 N × M信道矩阵H ，在某一时刻t，信 道矩阵为：
充分利用空间资源 成倍提高系统信道容量 改善通信质量
第二十五页，共45页。
空间分集和空间 复用等技术
概述
技术
(ɡài
(jìsh
shù)
ù)
MIMO天线的历史 (lìshǐ)、原理及特点
设计 优化
MIMO系统的设计
原则和优化
应用
第二十六页，共45页。
MIMO天线(tiānxiàn)设计
在MIMO系统中，天线的数目和间距是影响系统参数的重要因 素，在设计时应注意以下两点： 采用(cǎiyòng)小型化天线，尽量减小天线尺寸； 将多副天线的功能集中到一副天线上，用一副天线来代替二 副或多副天线。
No 号进行编码。为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术。MIMO雷达具有处理维数更高、手法孔径利用更充分、角分
辨率更高的优点。家
Image
第四十五页，共45页。
ù)
MIMO天线(tiānxiàn) 的历史、原理及特点
设计 优化
MIMO系统的设计原 则和优化
应用
第三页，共45页。
MIMO系统提出(tí chū)背景
传统无线通信系统中，发射端和接收端通常各使用一根天线 信道容量： 容量表示通信系统的最大传输速率，香农公式确定了在有噪声的信
道中进行(jìnxíng)可靠通信的上限速率。随着对通信速率要求的不 断提高，因此需要突破传统无线通信系统的容量界限。
MIMO天线的历史、原 理(yuánlǐ)及特点
设计 优化
MIMO系统的设计 原则和优化
应用
第三十三页，共45页。
12
1 无线传输(chuán shū) 2 雷达(léidá) 3 智能(zhì nénɡ)电网
第三十四页，共45页。
2
1 无线传输(chuán shū)
2 雷达(léidá) 3 智能(zhì nénɡ)电网
D 布局灵活
如图,基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动(yídòng)台进行 MIMO通信。
第三十一页，共45页。
虚拟MIMO
1 发展背景：在一些无线传感器网络或者移动通信网 络中，接收端的节点比较小，无法(wúfǎ)安装多天 线或者没有足够的能量支持多天线。我们就会用到
2 虚 定义拟：MI虚MO拟技M术IM。O的基本思想是天线共享，多个(duō ɡè)
P
Clog2(1nR2)
n▪ R 为接收天线数目
▪ 接收天线对信道容量的增加贡献呈指数，信道情况(qíngkuàng)知 晓否对容量无明显影响
第十一页，共45页。
MISO信道容量
H已知：
n（ T为发射天线(tiānxiàn)数
目）
Clog2(1nT
P)
2
H未知
Clog2(1P2)
当发送与接收端都对H一无所知时，系统容量没有(méi yǒu)提升
第十二页，共45页。
当天线数量较多时，系统容量可近似表达为：
B为信号带宽，p为接收端平均信噪比 该系统的容量随最小天线数目min（M,N)线性增长。 MIMO技术实质上是为无线通信系统提供(tígōng)一定的分集增益和复用增
益。对于理想的随机信道，如果天线的空间和成本不受限制，MIMO系 统就能提供(tígōng)无限大的容量。
第二十页，共45页。
1 空间(kōngjiān)分集
2 空间(kōngjiān)复用 3 空时编码(biān mǎ)
第二十一页，共45页。
空时编码(biān mǎ)
空时分组编码就是在空间域和时间域两维方向上对信 号进行(jìnxíng)编码。在时间上把不同信号在不同时隙 内使用同一个天线发射，使接收端可以分集接收。用 这样的方法可以获得分集和编码增益，从而实现高速 率的传输。
第十三页，共45页。
空间分集和空间 复用等技术
概述 (ɡài
技术 (jìshù)
设计 优化
应用
shù)
MIMO天线的历史 (lìshǐ)、原理及特
点
MIMO系统的设计 原则和优化
第十四页，共45页。
1 空间(kōngjiān)分集 2 空间(kōngjiān)复用 3 空时编码(biān mǎ)
改进(gǎijìn)天线结构，如减小天线尺寸。
第二十九页，共45页。
MIMO技术(jìshù)优化
MIMO-OFDM 定义：OFDM是一种多载波调制技术，基本思想是将信道分成若干个正 交子信道，然后(ránhòu)将高速数据信号转换成并行的低速数据流，并 调制到每个子信道上进行传输，在接收端分开正交信号并减少子信道间 干扰。 优点：用多个天线传输不同子信道上的数据，可以大大降低无线宽带通 信系统中接收机的复杂度。
▪ MIMO雷达具有处理维数更高、手法孔径利用更充分、角分辨 率更高的优点
第三十九页，共45页。
第四十页，共45页。
2
1 无线传输(chuán shū) 2 雷达(léidá) 3 智能(zhì nénɡ)电网
第四十一页，共45页。
MIMO技术(jìshù)在智能电网中的应用
➢ 智能电网选择(xuǎnzé)MIMO技术作为主要的通信方式，具有很多优 势同时也是一种必然趋势。
MIMO天线 (tiānxiàn)技术
第一页，共45页。
空间分集和空间复 用等技术
概述 (ɡài shù)
技术 (jìsh
ù)
MIMO天线(tiānxiàn) 的历史、原理及特
点
设计 优化
应用
MIMO系统的设计
原则和优化
第二页，共45页。
空间分集和空间 复用等技术
概述
技术
(ɡài
(jìsh
shù)
第四十三页，共45页。
谢
谢
大
家
第四十四页，共45页。
内容(nèiróng)总结
MIMO天线技术。注：H为NM的信道矩阵，上标H表示复共轭转置。B为信号带宽(dài kuān)，p为接收端平均信噪比。MIMO技术实质上是为无线 通信系统提供一定的分集增益和复用增益。空间分集实质上是通过信号通过不同路径获得的。空时分组编码就是在空间域和时间域两维方向上对信
作用：为不同天线上发射的信号引入了时间和空间的 相关性，从而提高系统容量和信道利用率
第二十二页，共45页。
空时编码
CONTENTS
第二十三页，共45页。
关键技术小结(xiǎojié)
第二十四页，共45页。
MIMO优点(yōudiǎn)
▪ 不增加频谱资源
多发(duō fā)多收
▪ 不增加发射(fāshè)天线功率
第三十五页，共45页。
➢ 为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将 会采用(cǎiyòng)MIMO技术。
➢ 应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多 天线放置方法上可以分为两大类：
➢ 一类是多个基站天线集中排列(páiliè)形成天线阵列，放
置于覆盖小区:
➢
集中式MIMO
➢ 另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区:
空间分集实质上是通过信号通过不同路径获得的
第十七页，共45页。
第十八页，共45页。
1 空间(kōngjiān)分集 2 空间(kōngjiān)复用
3 空时编码(biān mǎ)
第十九页，共45页。
在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数 据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上 发射出去。 空间(kōngjiān)复用的优点是提高传输速率。
第三十页，共45页。
多天线分布策略
定义：MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动(yídòng)通信 系统，将基站的单
天线换为多个天线构成的天线阵列。
优点：MIMO智能天线分布策略,通过多天线基站分布优化来增强衰落独 立性。
与传统阵列相比：
A 阵元间距要足够
B 不要求方向性
C 无须设计馈电电路
元素h是发射天线i的信道增益。假定发送端确定(quèdìng)信道信息，总 的发送功率为P，功率与发送天线的数量M无关；各个接受天线的噪声功 率均为发射功率平均分配到每一个发送天线上，则系统容量为：
注：H为NM的信道矩阵(jǔ zhèn)，上标H表示 复共轭转置
第十页，共45页。
▪ SIMO信道容量（H已知）
➢ 可以实现资源共享，减少资源重复建设带来的损失。 ➢ MIMO技术具有的稳定性和大数据流量的特点，可以使人们随时随
地监控电网的东塔，进行良好的资源配置
第四十二页，共45页。
MIM0技术(jìshù)将在智能电网中实现以下几方面内容
▪ 智能网的“自愈”特性的实现 (shíxiàn)
▪ 高级测量体系AMI实现(shíxiàn) ▪ 高级配电体系ADA实现(shíxiàn) ▪ 高级输电实现(shíxiàn)
第十五页，共45页。
1 空间(kōngjiān)分集
2 空间(kōngjiān)复用
3 空时编码(biān mǎ)
第十六页，共45页。
空间被当作一种能有效提供分集的资源，假设接收机具有多 个天线，发射信号通过不同路径到达接收机，如果接收机的 天线距离足够大（通常大于半个波长即可），那么接收信号 将会经历不同的信道衰落，即每个接收信号可以(kěyǐ)看作 独立的，从而提供空间分集。
节点共同接收数据，然后在节点之间共享数据。这样可以 使一些无法安装多天线的设备提高传输容量。
3 问题：虚拟MIMO在实现的过程中还存在很多问题， 如物理层关键问题，共享安全，不同(bù tónɡ)系 统兼容等
第三十二页，共45页。
空间分集和空间 复用等技术
概述 (ɡài shù)
技术 (jìsh
ù)
第四页，共45页。
提升(tíshēng)信道容量的方法 1.设置(shèzhì)更多的基站
代价 (dàijià)高
2.拓宽已使用的频
带
3.提高频谱使用效 率
增加信噪比
资源紧 张
器件散热、干扰电 平
为了改善通信质量，提高信道容量，由SIMO和MISO技术发展演变为
MIMO（Multiple Input Mutiple Output)
设计(shèjì)思想：
增大频率(pínlǜ)带宽，便于MIMO系统频段在一定范围内做调整 ；
保证分集接收效果，实现双极化，正负45度正交极化，并工作于 双工模式；
第二十八页，共45页。
改善方向图，控制（垂直，减小；水平，增大）波瓣宽度 提高增益；
采用分集技术，减轻衰落的影响，获得分集增益，提高接 收灵敏度；
第五页，共45页。
什么(shén me) 是MIMO
MIMO是指在发射(fāshè)端和接收端采用多根天线，使信号在空间 获得阵列增益、分集增益、复用增益和干扰抵消等的一种多天线 技术uò)过程
MIMO系统(xìtǒng)配有M根发送天线和 N 根接收天线在发送端经空 时编码形成M个子信息流，送到天线进行发射，并行传送，在接收 端根据不同天线信号在无线信道中的不相关性，通过各种空时检测 技术把并行合流为串行数据流。
➢
分布式MIMO。
第三十六页，共45页。
第三十七页，共45页。
2
1 无线传输(chuán shū) 2 雷达(léidá)
3 智能(zhì nénɡ)电网
第三十八页，共45页。
MIMO技术在雷达领域(lǐnɡ yù)的应用
▪ MIMO技术能使雷达系统通过独特的时间--能量管理技术实现 对个独立宽波束同时照射。主要是通过多个(duō ɡè)天线发射 不同的正交波形，同时覆盖较大空域，并利用长时间相干积累 来获得较高的信噪比。
第七页，共45页。
MIMO系统(xìtǒng)的特 点：
壹 各个(gègè)天线之间的距离足 够大，防止信号间过大的相关 性
贰 任意无线信道是相互独立或
具有很小的相关性
第八页，共45页。
MIMO技术(jìshù)是如何提高信道容量
第九页，共45页。
在收发(shōufā)天线之间形成了 N × M信道矩阵H ，在某一时刻t，信 道矩阵为：
充分利用空间资源 成倍提高系统信道容量 改善通信质量
第二十五页，共45页。
空间分集和空间 复用等技术
概述
技术
(ɡài
(jìsh
shù)
ù)
MIMO天线的历史 (lìshǐ)、原理及特点
设计 优化
MIMO系统的设计
原则和优化
应用
第二十六页，共45页。
MIMO天线(tiānxiàn)设计
在MIMO系统中，天线的数目和间距是影响系统参数的重要因 素，在设计时应注意以下两点： 采用(cǎiyòng)小型化天线，尽量减小天线尺寸； 将多副天线的功能集中到一副天线上，用一副天线来代替二 副或多副天线。
No 号进行编码。为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术。MIMO雷达具有处理维数更高、手法孔径利用更充分、角分
辨率更高的优点。家
Image
第四十五页，共45页。
ù)
MIMO天线(tiānxiàn) 的历史、原理及特点
设计 优化
MIMO系统的设计原 则和优化
应用
第三页，共45页。
MIMO系统提出(tí chū)背景
传统无线通信系统中，发射端和接收端通常各使用一根天线 信道容量： 容量表示通信系统的最大传输速率，香农公式确定了在有噪声的信
道中进行(jìnxíng)可靠通信的上限速率。随着对通信速率要求的不 断提高，因此需要突破传统无线通信系统的容量界限。
MIMO天线的历史、原 理(yuánlǐ)及特点
设计 优化
MIMO系统的设计 原则和优化
应用
第三十三页，共45页。
12
1 无线传输(chuán shū) 2 雷达(léidá) 3 智能(zhì nénɡ)电网
第三十四页，共45页。
2
1 无线传输(chuán shū)
2 雷达(léidá) 3 智能(zhì nénɡ)电网
D 布局灵活
如图,基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动(yídòng)台进行 MIMO通信。
第三十一页，共45页。
虚拟MIMO
1 发展背景：在一些无线传感器网络或者移动通信网 络中，接收端的节点比较小，无法(wúfǎ)安装多天 线或者没有足够的能量支持多天线。我们就会用到
2 虚 定义拟：MI虚MO拟技M术IM。O的基本思想是天线共享，多个(duō ɡè)
P
Clog2(1nR2)
n▪ R 为接收天线数目
▪ 接收天线对信道容量的增加贡献呈指数，信道情况(qíngkuàng)知 晓否对容量无明显影响
第十一页，共45页。
MISO信道容量
H已知：
n（ T为发射天线(tiānxiàn)数
目）
Clog2(1nT
P)
2
H未知
Clog2(1P2)
当发送与接收端都对H一无所知时，系统容量没有(méi yǒu)提升
第十二页，共45页。
当天线数量较多时，系统容量可近似表达为：
B为信号带宽，p为接收端平均信噪比 该系统的容量随最小天线数目min（M,N)线性增长。 MIMO技术实质上是为无线通信系统提供(tígōng)一定的分集增益和复用增
益。对于理想的随机信道，如果天线的空间和成本不受限制，MIMO系 统就能提供(tígōng)无限大的容量。
第二十页，共45页。
1 空间(kōngjiān)分集
2 空间(kōngjiān)复用 3 空时编码(biān mǎ)
第二十一页，共45页。
空时编码(biān mǎ)
空时分组编码就是在空间域和时间域两维方向上对信 号进行(jìnxíng)编码。在时间上把不同信号在不同时隙 内使用同一个天线发射，使接收端可以分集接收。用 这样的方法可以获得分集和编码增益，从而实现高速 率的传输。
第十三页，共45页。
空间分集和空间 复用等技术
概述 (ɡài
技术 (jìshù)
设计 优化
应用
shù)
MIMO天线的历史 (lìshǐ)、原理及特
点
MIMO系统的设计 原则和优化
第十四页，共45页。
1 空间(kōngjiān)分集 2 空间(kōngjiān)复用 3 空时编码(biān mǎ)
改进(gǎijìn)天线结构，如减小天线尺寸。
第二十九页，共45页。
MIMO技术(jìshù)优化
MIMO-OFDM 定义：OFDM是一种多载波调制技术，基本思想是将信道分成若干个正 交子信道，然后(ránhòu)将高速数据信号转换成并行的低速数据流，并 调制到每个子信道上进行传输，在接收端分开正交信号并减少子信道间 干扰。 优点：用多个天线传输不同子信道上的数据，可以大大降低无线宽带通 信系统中接收机的复杂度。
▪ MIMO雷达具有处理维数更高、手法孔径利用更充分、角分辨 率更高的优点
第三十九页，共45页。
第四十页，共45页。
2
1 无线传输(chuán shū) 2 雷达(léidá) 3 智能(zhì nénɡ)电网
第四十一页，共45页。
MIMO技术(jìshù)在智能电网中的应用
➢ 智能电网选择(xuǎnzé)MIMO技术作为主要的通信方式，具有很多优 势同时也是一种必然趋势。
MIMO天线 (tiānxiàn)技术
第一页，共45页。
空间分集和空间复 用等技术
概述 (ɡài shù)
技术 (jìsh
ù)
MIMO天线(tiānxiàn) 的历史、原理及特
点
设计 优化
应用
MIMO系统的设计
原则和优化
第二页，共45页。
空间分集和空间 复用等技术
概述
技术
(ɡài
(jìsh
shù)
第四十三页，共45页。
谢
谢
大
家
第四十四页，共45页。
内容(nèiróng)总结
MIMO天线技术。注：H为NM的信道矩阵，上标H表示复共轭转置。B为信号带宽(dài kuān)，p为接收端平均信噪比。MIMO技术实质上是为无线 通信系统提供一定的分集增益和复用增益。空间分集实质上是通过信号通过不同路径获得的。空时分组编码就是在空间域和时间域两维方向上对信
作用：为不同天线上发射的信号引入了时间和空间的 相关性，从而提高系统容量和信道利用率
第二十二页，共45页。
空时编码
CONTENTS
第二十三页，共45页。
关键技术小结(xiǎojié)
第二十四页，共45页。
MIMO优点(yōudiǎn)
▪ 不增加频谱资源
多发(duō fā)多收
▪ 不增加发射(fāshè)天线功率
第三十五页，共45页。
➢ 为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将 会采用(cǎiyòng)MIMO技术。
➢ 应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多 天线放置方法上可以分为两大类：
➢ 一类是多个基站天线集中排列(páiliè)形成天线阵列，放
置于覆盖小区:
➢
集中式MIMO
➢ 另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区:
空间分集实质上是通过信号通过不同路径获得的
第十七页，共45页。
第十八页，共45页。
1 空间(kōngjiān)分集 2 空间(kōngjiān)复用
3 空时编码(biān mǎ)
第十九页，共45页。
在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数 据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上 发射出去。 空间(kōngjiān)复用的优点是提高传输速率。
第三十页，共45页。
多天线分布策略
定义：MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动(yídòng)通信 系统，将基站的单
天线换为多个天线构成的天线阵列。
优点：MIMO智能天线分布策略,通过多天线基站分布优化来增强衰落独 立性。
与传统阵列相比：
A 阵元间距要足够
B 不要求方向性
C 无须设计馈电电路
元素h是发射天线i的信道增益。假定发送端确定(quèdìng)信道信息，总 的发送功率为P，功率与发送天线的数量M无关；各个接受天线的噪声功 率均为发射功率平均分配到每一个发送天线上，则系统容量为：
注：H为NM的信道矩阵(jǔ zhèn)，上标H表示 复共轭转置
第十页，共45页。
▪ SIMO信道容量（H已知）
➢ 可以实现资源共享，减少资源重复建设带来的损失。 ➢ MIMO技术具有的稳定性和大数据流量的特点，可以使人们随时随
地监控电网的东塔，进行良好的资源配置
第四十二页，共45页。
MIM0技术(jìshù)将在智能电网中实现以下几方面内容
▪ 智能网的“自愈”特性的实现 (shíxiàn)
▪ 高级测量体系AMI实现(shíxiàn) ▪ 高级配电体系ADA实现(shíxiàn) ▪ 高级输电实现(shíxiàn)
第十五页，共45页。
1 空间(kōngjiān)分集
2 空间(kōngjiān)复用
3 空时编码(biān mǎ)
第十六页，共45页。
空间被当作一种能有效提供分集的资源，假设接收机具有多 个天线，发射信号通过不同路径到达接收机，如果接收机的 天线距离足够大（通常大于半个波长即可），那么接收信号 将会经历不同的信道衰落，即每个接收信号可以(kěyǐ)看作 独立的，从而提供空间分集。
节点共同接收数据，然后在节点之间共享数据。这样可以 使一些无法安装多天线的设备提高传输容量。
3 问题：虚拟MIMO在实现的过程中还存在很多问题， 如物理层关键问题，共享安全，不同(bù tónɡ)系 统兼容等
第三十二页，共45页。
空间分集和空间 复用等技术
概述 (ɡài shù)
技术 (jìsh
ù)
第四页，共45页。
提升(tíshēng)信道容量的方法 1.设置(shèzhì)更多的基站
代价 (dàijià)高
2.拓宽已使用的频
带
3.提高频谱使用效 率
增加信噪比
资源紧 张
器件散热、干扰电 平
为了改善通信质量，提高信道容量，由SIMO和MISO技术发展演变为
MIMO（Multiple Input Mutiple Output)