MIMO
mimo技术工作原理
mimo技术工作原理MIMO技术工作原理MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术是一种无线通信技术,通过在发送和接收端使用多个天线,可以显著提高无线通信系统的性能。
本文将详细介绍MIMO技术的工作原理及其优势。
一、MIMO技术的基本原理MIMO技术利用了多个天线之间的独立性,通过在发送端同时发送多个独立的数据流,并在接收端同时接收这些数据流,从而提高了系统的吞吐量和可靠性。
MIMO系统的天线数目被称为传输链路的MIMO 阶数,通常用MxN来表示,其中M是发送端的天线数目,N是接收端的天线数目。
在MIMO系统中,发送端通过线性组合来发送多个数据流。
例如,对于一个2x2的MIMO系统,发送端可以使用两个天线分别发送两个数据流,并通过线性组合将它们发送出去。
接收端的天线收到经过信道传输后的信号,并通过信道估计和解调来恢复出发送端发送的数据。
二、空间复用技术MIMO技术中的一个重要概念是空间复用技术。
通过在发送端使用多个天线,MIMO系统可以将不同的数据流同时发送到空间中的不同位置,从而实现空间复用。
接收端的多个天线可以分别接收到这些数据流,并通过信道估计和解调来恢复出原始的数据。
空间复用技术可以显著提高系统的吞吐量和可靠性。
通过将多个数据流同时发送,MIMO系统可以充分利用空间资源,增加数据的传输速率。
此外,由于多个数据流之间是独立的,即使某些数据流受到干扰或衰落,其他数据流仍然可以正常传输,从而提高了系统的可靠性。
三、空时编码技术除了空间复用技术外,MIMO技术还可以利用空时编码技术来提高系统的性能。
空时编码技术通过在发送端对不同的数据流进行编码,并利用多个天线分别发送编码后的数据流,从而实现数据的冗余传输。
在接收端,利用接收到的多个数据流,可以通过信道估计和解码来恢复出原始的数据。
由于编码后的数据流之间存在冗余,即使某些数据流受到干扰或衰落,接收端仍然可以通过其他数据流来恢复出原始的数据,从而提高了系统的可靠性。
mimo 分集增益 条件
mimo 分集增益条件
MIMO (多输入多输出) 是一种无线通信技术,可以同时使用多个天线进行数据传输和接收。
MIMO 技术的分集增益是指通
过使用多个天线传输和接收数据,可以在一定程度上提高信道容量和传输速率的增益效果。
MIMO 的分集增益条件包括以下几个方面:
1. 空间多样性:在 MIMO 系统中,通过使用多个天线,可以
获得来自不同方向的多条信道,这样就可以利用空间多样性来提高信号强度,从而减小信号受到干扰和衰落的影响。
2. 独立信道:MIMO 系统中的每个天线都应该有独立的信道,这样可以避免信道之间的相关性,从而提高系统的性能。
当信号通过不同的路径传输时,可以实现多个独立信道,从而提供更多的传输选择。
3. 空间分集:在 MIMO 系统中,通过多个天线的组合使用,
可以将传输的数据分成多个子流,然后在接收端重新组合这些子流。
这样可以提高系统对抗干扰和衰落的能力,增加传输的可靠性和速率。
4. 软分集:MIMO 系统中的软分集技术可以利用接收端的信
号处理算法,在接收阶段降低噪声和干扰的影响。
通过使用最大比合并等算法,可以有效地提高系统的接收性能和信道容量。
综上所述,MIMO 系统的分集增益是通过利用空间多样性、
独立信道、空间分集和软分集等技术来实现的。
这些技术可以提高系统的抗干扰和传输速率,从而提高整个系统的性能。
mimo的七种模式及应用场景
mimo的七种模式及应用场景
Mimo有七种模式及其应用场景:
1. 单输入单输出(SIMO):一个发射天线和一个接收天线。
应用场景包括蜂窝网络中的多用户接入。
2. 单输入多输出(SISO):一个发射天线和多个接收天线。
应用场景包括无线局域网中的多用户接入以及车联网。
3. 多输入单输出(MISO):多个发射天线和一个接收天线。
应用场景包括多天线路由器中的网络扩展以及室内覆盖。
4. 多输入多输出(MIMO):多个发射天线和多个接收天线。
应用场景包括蜂窝网络中的高速数据传输以及无线通信系统中的干扰消除。
5. 空时分组复用(STBC):在多输入多输出系统中,将数据分组后通过多个天线同时发送,以提高信道容量和可靠性。
应用场景包括无线局域网中的视频传输以及移动通信系统中的高速数据传输。
6. 空时分集(STC):在多输入多输出系统中,通过发送多个相同的数据流来增强信号的可靠性。
应用场景包括无线通信系统中的抗干扰和提高覆盖范围。
7. 多用户混合码(MU-MIMO):在多输入多输出系统中,同
时为多个用户提供服务,提高系统容量和效率。
应用场景包括蜂窝网络中的多用户接入以及无线局域网中的多用户传输。
MIMO技术介绍
空间分集技术
空间分集技术原理
空间分集技术是一种利用多个天线在不同空间位置上传输相同数据流的技术。 通过增加天线数量,降低多径衰落的影响,提高信号质量和可靠性。
空间分集技术应用场景
广泛应用于无线通信系统,如4G、5G等,以及Wi-Fi、蓝牙等短距离无线通信 技术。
最大比合并技术
最大比合并技术原理
最大比合并技术是一种利用多个天线在同一频段上传输相同数据流的技术。通过 加权合并各个天线上接收到的信号,最大化合并比,从而提高信号强度和信噪比 。
最大比合并技术应用场景
广泛应用于无线通信系统,如4G、5G等,以及Wi-Fi、蓝牙等短距离无线通信技 术。
等效基带处理技术
等效基带处理技术原理
等效基带处理技术是一种将MIMO信道转换为等效基带信号进行处理的技术。通过基带处理实现信号的调制解调 、编码解码等操作,从而降低系统复杂度和成本。
等效基带处理技术应用场景
频谱效率
MIMO技术通过空间复用和空间分集等技术,提高频谱利用效率,从而在有限的频谱资源中实现更高 的数据传输速率。通过在多个天线之间进行信号的并行传输,可以增加数据传输的并行度,提高频谱 效率。
MIMO系统的误码率性能
误码率性能
在MIMO系统中,通过增加天线数量和采用 复杂的信号处理技术,可以显著降低误码率 ,提高数据传输的可靠性。例如,通过采用 空间调制、空时编码等技术,可以在一定程 度上抵消多径效应和干扰,从而降低误码率 。
02
MIMO技术原理及实现
空间复用技术
空间复用技术原理
空间复用技术是一种利用多个天线在同 一频段上传输不同数据流的技术。通过 增加天线数量,提高空间分辨率和频谱 效率,从而提升系统容量和数据传输速 率。
简述mimo的工作模式
简述mimo的工作模式1. MIMO技术简介MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)是多输入多输出的英文缩写,是一种无线通信系统的传输技术。
MIMO技术通过在发送和接收端使用多个天线,实现信号的空间分集,以提高通信链路的容量和可靠性。
简单而言,MIMO技术允许单一频率同时传输多个数据流。
2. MIMO的工作模式MIMO的核心工作原理是空间重复和空间编码,有以下四种主要的工作模式:##2.1 空间分集模式(Spatial Diversity)空间分集模式主要用于解决多径传播引起的信号衰减问题。
在此模式下,发送器会把同一信号的副本同时通过多个天线发送出去,接收器通过接收每个天线的信号,进行组合或选择性接收,从而降低误码率。
##2.2 信道容量模式(Spatial Multiplexing)信道容量模式也被称为空间复用模式,其目的是提高频谱效率和数据传输率。
在此模式下,发送器会将数据流分解为多个子流,然后通过多个天线同时发送。
接收器会依据接收到的信号,利用信道信息进行解码,从而实现高效的数据传输。
##2.3 传输波束成形模式(Transmit Beamforming)在波束成形模式下,发送器会根据预先获取的信道状态信息,调整每个天线的发送信号幅度和相位,使得接收天线的收到信号强度最大。
这种模式能提高链路的信号质量和覆盖范围。
##2.4 网络 MIMO(Coordinated Multipoint Transmission)网络MIMO模式是基于信道状态信息,由多个节点协同工作,同一时间向多个用户发送数据,可以进一步提高频谱利用率和系统容量。
3. MIMO的发展和应用MIMO技术作为现代无线通信系统的重要技术之一,已广泛应用于无线局域网、蜂窝移动通信、无线传感网络等领域。
随着科技的不断进步,MIMO技术还有望在未来的5G甚至6G通信系统中发挥重要作用。
移动通信原理第十二章MIMO空时处理技术
实现高性能的MIMO系统需要高精度的硬 件设备,这可能会增加系统的成本和功耗。
05 MIMO空时处理技术的应 用实例
无线局域网(WLAN)
总结词
无线局域网(WLAN)是MIMO空时处理技术的重要应用领域 之一。
详细描述
在WLAN中,MIMO技术通过在发送端和接收端使用多个天 线,实现了更高的数据传输速率和更可靠的通信性能。 MIMO技术能够有效地抵抗多径衰落和干扰,提高无线信号 的覆盖范围和稳定性。
挑战
信道状态信息获取
MIMO技术的性能高度依赖于信道状态信 息,但准确获取所有天线的信道状态信息
是具有挑战性的。
信号处理复杂性
MIMO系统需要进行复杂的信号处理,包 括信号检测、信道估计和均衡等,这增加
了系统的复杂性和功耗。
天线配置和布局
合理的天线配置和布局对于MIMO系统的 性能至关重要,但在实际应用中,天线的 配置和布局可能受到多种因素的限制。
MIMO系统由多个天线组成,在发 射机和接收机两端都有多个天线。这 种配置允许在多个维度(空间、时间 、频率)上处理信号。
信号传输模型
在MIMO系统中,发射机通过多个天 线同时发送信号,这些信号经过无线 信道后,由接收机的多个天线接收。
MIMO系统的信道容量
自由度
MIMO系统的信道容量与其自由度有关。自由度通常定义为天线数量和信号传 输的维度(空间、时间、频率)。
复用增益
复用增益是通过在多个天线之间发送不同的信号,从而实现在同一频带内复用多 个信号,提高了频谱效率。
03 空时处理技术
空时编码
概念
空时编码是在空间和时间两个维 度上对信号进行编码,以提高信
号的抗干扰能力和传输效率。
简述mimo的工作模式
简述mimo的工作模式MIMO的工作模式MIMO是多输入多输出(Multiple Input Multiple Output)的缩写,是一种通信技术,通过在发送和接收端同时使用多个天线来提高无线通信系统的性能。
MIMO技术广泛应用于Wi-Fi、4G和5G等无线通信系统中,极大地提高了数据传输速率和系统容量。
MIMO的工作模式可以简述为:在发送端,MIMO系统将待发送的数据分成多个子流,然后通过不同的天线进行传输。
而在接收端,MIMO 系统同时利用多个天线接收到的信号进行数据恢复和解码,从而提高系统的可靠性和传输速率。
MIMO系统的关键是利用多个天线。
在发送端,待发送的数据经过空分多路复用(Spatial Multiplexing)技术被分成多个子流,每个子流通过不同的天线进行发送。
通过将数据分成多个子流并通过不同的天线发送,MIMO系统可以充分利用空间资源,提高数据传输效率。
同时,MIMO系统还可以利用多个天线同时发送相同的数据,从而提高系统的覆盖范围和抗干扰能力。
在接收端,MIMO系统利用多个天线接收到的信号进行数据恢复和解码。
在接收端的每个天线接收到的信号是经过多个传播路径传输而来的,这些传播路径具有不同的路径损耗、相位差和时延。
MIMO系统通过利用这些传播路径之间的差异,可以通过合理的信号处理算法将多个接收到的信号进行解码和恢复,从而提高系统的可靠性和传输速率。
除了空分多路复用技术,MIMO系统还可以利用空间分集(Spatial Diversity)技术提高系统性能。
空间分集技术通过在发送端利用多个天线发送相同的数据,在接收端接收到的多个信号之间进行比较和组合,从而减小信号的多径衰落效应,提高系统的抗干扰能力和传输可靠性。
MIMO的工作模式是通过在发送和接收端同时利用多个天线,利用空分多路复用和空间分集技术来提高无线通信系统的性能。
MIMO技术的应用使得无线通信系统可以在相同的频谱资源下传输更多的数据,提高系统的容量和传输速率。
mimo技术原理
MIMO技术优势与应用领域
技术优势
MIMO技术具有以下优势:提高系统容量和 传输速率;提高信号传输的可靠性和稳定性 ;降低误码率和重传率;支持多用户同时通 信等。
应用领域
MIMO技术广泛应用于无线通信的各个领域 ,如移动通信、无线局域网(WLAN)、无 线城域网(WMAN)、卫星通信等。在移 动通信中,MIMO技术可以提高数据传输速 率和用户体验;在WLAN中,MIMO技术可 以提高网络覆盖范围和吞吐量;在WMAN 中,MIMO技术可以提高城域网传输效率和 覆盖范围;在卫星通信中,MIMO技术可以 提高卫星通信系统的容量和可靠性。
计算方法
介绍MIMO信道容量的计算方法,如 香农公式、注水算法等,并分析其适 用场景和优缺点。
信道传输特性影响因素探讨
天线配置
分析天线数量、排列方式、极化方式 等因素对MIMO信道传输特性的影响 。
多径效应与散射环境
分析多径效应和散射环境对MIMO信 道传输特性的影响,包括多径时延、 角度扩展等参数的变化规律。
AI与MIMO的融合
人工智能技术的引入将助力大规模MIMO实现更智能的信 号处理和资源管理,提升系统性能。
当前面临挑战及未来研究方向
信道建模与估计
复杂多变的无线信道环境是MIMO技术面临的主要挑战之一,未 来需进一步研究更精确的信道建模与估计方法。
多用户干扰管理
多用户MIMO系统中,用户间干扰是影响系统性能的关键因素,有 效的干扰管理策略将是未来研究的重要方向。
越好。
04
MIMO天线设计与优 化方法
天线阵列布局规划及优化策略
阵列布局规划
根据MIMO系统需求,确定天线数量、排列方式和间距,以最大化空间复用增益 和分集增益。
mimo的原理及应用
mimo的原理及应用1. MIMO的简介多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)是一种无线通信技术,通过在多个天线之间传输和接收数据,提高无线信号的传输效率和可靠性。
MIMO技术在现代无线通信系统中得到了广泛应用,包括LTE、Wi-Fi和5G等。
2. MIMO的原理MIMO技术基于空间分集原理,利用多个天线同时发送和接收独立的数据流,通过多径传播的特性,将数据流在空间中分离出来,从而提高信号的传输速率和抗干扰能力。
MIMO系统的原理可以简单描述为以下几个步骤:1.信号发射端:将要发送的数据流分为多个独立的子流,并通过不同的天线同时发送。
2.多径传播:由于无线信号在传播过程中会经历多条路径,每条路径上的传播特性不同,因此到达接收端的信号会被分为多个不同的子信号。
3.空间分离:接收端的天线接收到的信号会受到多径效应的影响,通过对接收信号进行处理,可以将各个子信号分离出来。
4.信号处理:接收端对接收到的子信号进行处理和解调,恢复原始数据。
3. MIMO的优势和应用MIMO技术具有以下几个优势,使其在无线通信系统中得到广泛应用:3.1 增强信号传输速率通过多个天线同时发送和接收多个子信号,MIMO技术可以大大增加信号的传输速率。
每个天线都可以发送不同的数据流,从而增加了系统的总传输能力。
3.2 提高系统容量和覆盖范围MIMO技术通过空间分集原理,可以在有限的频谱资源下提高系统的容量。
通过合理设计和布置天线,可以达到更好的信号覆盖范围,提供更稳定和高质量的无线通信服务。
3.3 抗干扰和抑制多径衰落由于MIMO系统利用了多个天线和多径传播的特性,可以利用接收信号的空间分离性质抑制干扰信号和多路径信号的衰落。
这使得MIMO系统在复杂的无线信道中具有较好的抗干扰能力和稳定性。
3.4 支持多用户和多任务传输MIMO技术可以同时为多个用户提供高速和可靠的无线通信服务,支持多用户之间的同时传输。
mimo技术
mimo技术MIMO技术是一种通信技术,全称是多输入多输出技术。
它的发展历程源于20世纪末名为MIMO的信息论研究,而现代MIMO技术则发源于20世纪末至21世纪初的通信领域中,通过研究多输入多输出天线(Multiple Input Multiple Output, MIMO)系统而取得的技术。
MIMO技术的出现是由于在现代通信中,信道的扩散带宽越来越窄,导致信噪比变低,从而降低信息的传输速率和可靠性。
而MIMO技术则可以克服这个问题,其主要目的是增加无线信号的传输速率和稳定性。
其核心思想是通过多个天线之间的异构性来增加数据的传输信道数,从而提高信道的传输带宽和信号品质。
MIMO技术的基本原理是通过在发送端和接收端采用多个天线,利用多个天线之间的异构性,将数据分成多个子流,经过不同的天线发射,在接收端进行合并,从而增加信道的容量和传输速率。
其中,MIMO技术主要可以分为两个方向:空间多路复用技术(Spatial Multiplexing,SM)和空间分集技术(Spatial Diversity,SD)。
空间多路复用技术(SM)是一种利用空间供给多个用户同步进行的数据传输技术。
在SM技术中,发送端会将不同的数据流分别经过不同的天线发射,接收端则通过接收到不同天线上的信号,将其分别解调和合成,最终得到原始数据流。
SM 技术主要适用于有限的发射功率和不断增加的用户量的信道。
空间分集技术(SD)则是一种通过在发射端或接收端增加多个天线的技术,通过差异化的传输,让接收端可以同时接收多个信号,从而降低噪声干扰和提高信号质量。
SD技术可以分为多种形式,包括时空分集、时度分集等技术,主要适用于复杂的移动环境以及需要高速可靠数据传输的场景。
MIMO技术的应用有很广泛。
在无线通信领域中,MIMO技术已被广泛应用于Wi-Fi、蓝牙、LTE、5G等技术的研究和应用中。
同时,在雷达探测、无线电广播、智能交通系统等领域中,MIMO技术也得到了广泛应用。
MIMO
空分复用
根据子数据流与天线之间的对应关系,空间多路复 用系统大致分为三种模式:D-BLAST、V-BLAST以及 T-BLAST 常用的空间复用方法是贝尔实验室提出的垂直分层 空时码,即V-BLAST技术
V-BLAST
原始数据被分为若干子流,每个子流之间分别进行 编码,但子流之间不共享信息比特,每一个子流与 一根天线相对应,即编码后的第k个子流直接送到第 k根天线
MIMO信道系统理论
理
根据空时映射方法的不同,MIMO技 术大致可以分为两类:空间分集和 空间复用。
空间分集
空间分集(spatial diversity):利用发射或接收端 的多根天线所提供的多重传输途径发送相同的资料, 以增强资料的传输品质。
空间分集
目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时 分组码(Space Time Block Code,STBC)和波束成 形技术。
V-BLAST
由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的 对应关系,因此在检测过程中,只要知道数据来 自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据,检测 过程简单。
空时分组码
STBC是基于发送分集的一种重要编码形式,其中最 基本的是针对二天线设计的Alamouti方案
波束成形技术
波束成形(beamforming):借由多根天线产生一个 具有指向性的波束,将能量集中在欲传输的方向, 增加信号品质,并减少与其他用户间的干扰。
空分复用
空间复用(Spatial Multiplexing):系统将数据分割 成多份,分别在发射端的多根天线上发射出去,接 收端接收到多个数据的混合信号后,利用不同空间 信道间独立的衰落特性,区分出这些并行的数据流。 从而达到在相同的频率资源内获取更高数据速率的 目的。
什么是MIMO技术
什么是MIMO技术?那么究竟什么是MIMO技术呢?通俗的说就是为了提升无线信号的传输质量,而利用多个天线将无线信号进行同步收发的无线技术。
MIMO(Multi-input Multi-output,多输入多输出)技术在维基百科中定义是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型,能利用发射端的多个天线各自独立发送信号,同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。
MIMO多进多出无线技术在现在主流的802.11n无线产品中,MIMO架构是标志性的无线技术之一。
在无线通信领域中,MIMO技术中的智能天线技术是具有相当重要意义的,该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的吞吐量、传送距离和频谱利用率。
应该说,一个无线通信系统只要其发射端和接收端同时都采用了多个天线(或者天线阵列),就构成了一个无线MIMO系统。
MIMO技术采用空间复用技术对无线信号进行处理后,数据通过多重切割之后转换成多个平行的数据子流,数据子流经过多副天线同步传输,在空中产生独立的并行信道传送这些信号流;为了避免被切割的信号不一致,在接收端也采用多个天线同时接收,根据时间差的因素将分开的各信号重新组合,还原出原本的数据。
使用MIMO技术的好处是,可以通过增大天线的数量来传输信息子流,将多个数据子流同时发送到信道上,各发射信号占用同一频带,从而在不增加频带宽度的情况下增加频谱利用率。
经测试,采用MIMO技术的无线局域网频谱利用率可达到20-40bps/Hz,非常适合在室内环境下的无线网络系统中应用。
综上所述,使用MIMO技术后,可以令无线信号的传输距离、天线的接受范围进一步扩大,信号抗干扰性更强,无线传输更为精准快速。
而前面针对提升手机在LTE或WiFi环境下的通讯品质,而推出的新式MIMO架构天线方案,无疑为用户带来了更流畅、快速的无线应用体验。
WiFi天线分集和MIMO的区别比较文/张利兵802.11a/b/g设备经常会见到配备有多个天线,这种天线形式就是天线分集(Antenna Diversity),而802.11n设备的MIMO系统也是多个天线,两种技术之间有何区别呢?1. 天线分集系统天线分集系统中,实际上只有一个收发器,而多个天线都连接着这个收发装置。
MIMO技术百科
MIMOMIMO属于空间分集简介MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统是一项运用于802.11n的核心技术。
802.11n是IEEE继802.11b\a\g后全新的无线局域网技术,速度可达600Mbps。
同时,专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。
该技术最早是由Marconi于1908年提出的,它利用多天线来抑制信道衰落。
根据收发两端天线数量,相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统,MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。
概述MIMO 表示多输入多输出。
读/maimo/或/mimo/,通常美国人读前者,英国人读后者,国际上研究这一领域的专家较多的都读/maimo/。
在第四代移动通信技术标准中被广泛采用,例如IEEE 802.16e (Wimax),长期演进(LTE)。
在新一代无线局域网(WLAN)标准中,通常用于 IEEE 802.11n,但也可以用于其他 802.11 技术。
MIMO 有时被称作空间分集,因为它使用多空间通道传送和接收数据。
只有站点(移动设备)或接入点(AP)支持 MIMO 时才能部署 MIMO。
优点MIMO 技术的应用,使空间成为一种可以用于提高性能的资源,并能够增加无线系统的覆盖范围。
无线电发送的信号被反射时,会产生多份信号。
每份信号都是一个空间流。
使用单输入单输出(SISO)的系统一次只能发送或接收一个空间流。
MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流,并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。
多天线系统的应用,使得多达 min(Nt,Nr)的并行数据流可以同时传送。
同时,在发送端或接收端采用多天线,可以显著克服信道的衰落,降低误码率。
一般的,分集增益可以高达Nt*Nr。
mimo原理
MIMO原理的基本原理1. 引言多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)是一种无线通信技术,通过在发送和接收端同时使用多个天线,可以显著提高无线通信系统的容量和可靠性。
MIMO技术已经广泛应用于诸如Wi-Fi、LTE、5G等无线通信标准中。
本文将详细解释与MIMO原理相关的基本原理。
2. 单输入单输出(SISO)与多输入多输出(MIMO)在传统的无线通信系统中,使用单输入单输出(Single-Input Single-Output,SISO)架构。
其中,发送端只有一个天线,接收端也只有一个天线。
这种架构限制了系统的容量和可靠性。
而MIMO技术则允许在发送和接收端同时使用多个天线。
具体来说,发送端可以有多个天线同时发送不同的信号,接收端也可以有多个天线同时接收到这些信号。
通过利用空间上的多样性和干扰消除能力,MIMO技术可以提高系统的容量和可靠性。
3. 空间复用与空间分集MIMO技术主要依赖于两个基本概念:空间复用和空间分集。
3.1 空间复用空间复用是指在同一时间和频率资源上同时传输多个独立的数据流。
在MIMO系统中,通过将不同的数据流分配给不同的天线进行传输,可以提高系统的容量。
具体来说,发送端使用线性组合将多个数据流叠加到不同的天线上进行发送,接收端则使用最大比合并等技术将多个天线接收到的信号分离出来。
空间复用可以通过两种方式实现:基于空时编码(Space-Time Coding,STC)和基于空间分集(Spatial Diversity)。
其中,基于STC的空间复用技术利用多个天线之间的相关性,在发送端对数据进行编码,并在接收端对接收到的信号进行解码。
而基于空间分集的空间复用技术则利用多个天线之间的独立性,在发送端将相同的数据流同时发送到不同的天线上进行传输,并在接收端对接收到的信号进行合并。
3.2 空间分集空间分集是指通过在发送和接收端使用多个天线,在空间上增加了系统对信道特性变化的抵抗能力。
MIMO
波束成型技术
又称为智能天线(Smart An位加权,使信号 在某个方向形成同相叠加(Constructive InteRFerenc-e),在其他方向形成相位抵消 (Destructive Interferenc-e),从而实现信号 的增益。
4.MIMO研究重大历程
空时编码
通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度,从
而使信号在接受端获得分集增益,但空时编码方 案不能提高数据率。空时编码的系统框图参见下 图。
在MIMO通信中,空时编码(STC)将数据分成多个数 据子流在多个天线上同时发射,建立了空间分离和时 间分离之间的关系,通过在发射天线间的时域引入编 码冗余得到分集增益。其本质在于建立了空间分离和 时间分离之间的关系,达到各个天线之间的相互保护 的目的(也就是说各个天线发送的信号独立或者相关 性很小),降低了同一个符号在所有天线上发生深度 衰落的机会,降低平均误码率。
(b p s / H z )
OFDM频谱
空分复用
与OFDM相辅相成
OFDM是一种高效的多载波调制技术,它能够有效地 对抗多径传播,从而可靠地接收受到干扰的信号。到目前 为止,对于OFDM系统的研究已经相当深人,我们知道 OFDM系统独自对抗无线环境中的多径衰落是不够的,它 必须和相应的分集技术结合起来,才能更好地发挥其功效。 因此我们可以将MIMO系统和OFDM系统结合起来,即构成 MIMO OFDM系统。
LTE的多天线发送分集技术选用SFBC(Space Frequency Block Code)作为基本发送技术,在发射端对数据流进行联 合编码以减少由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率。 SFBC通过在发射端增加信号的冗余度,使信号在接收端获 得分集增益。发射分集方案不能提高数据率。
简述mimo的工作模式
简述mimo的工作模式
MIMO(Multiple Input Multiple Output)是一种无线通信技术,它可以同时利用多个天线进行数据传输和接收,从而提高系统的容量和性能。
MIMO的工作模式可以分为两种:空时编码和空间多址。
空时编码是MIMO中常用的一种工作模式。
在这种模式下,发送端和接收端都配备了多个天线。
发送端将要发送的数据通过多个天线同时发送出去,并将数据编码成多个独立的数据流。
接收端则通过多个天线接收到这些数据流,并利用信道状态信息(CSI)对信号进行解码和处理。
最后,接收端将解码后的数据重构成原始数据。
空时编码可以有效地抵抗信道衰落和干扰,提高系统的可靠性和性能。
空间多址是另一种常见的MIMO工作模式。
在这种模式下,发送端和接收端仍然配备了多个天线,但发送的数据流是不同的用户的数据。
发送端将不同用户的数据通过不同的天线并行地发送出去,接收端则通过多个天线同时接收到这些数据流。
接收端根据不同用户的信号进行解码和处理,将解码后的数据分配给对应的用户。
空间多址可以提高系统的容量和吞吐量,适用于多用户场景。
总结起来,MIMO的工作模式主要包括空时编码和空间多址。
空时编码通过利用多个天线同时发送和接收数据,提高系统的可靠性和性能;空间多址通过将不同用户的数据并行地发送和接收,提高系统的容量和吞吐量。
这些工作模式使得MIMO成为无线通信领域的重要技术,广泛应用于4G和5G等移动通信系统中,为用户提供更快速、
更可靠的通信服务。
LTEMIMO基本原理介绍
8.5631
1.5774
0.2751
0.0507
Case 2
33dBm/Antenna Macro ISD = 500m,4TxBF,Single Stream,20dB, 3km/h
1
13.9773
2.5747
0.9195
0.1694
Case 3
33dBm/Antenna Macro ISD 500m,4TxBFprecoding, Dual Stream,20dB, 3km/h
空时发射分集
空频发射分集与空时发射分集类似,不同的是SFTD是对发送的符号进行频域和空域编码 将同一组数据承载在不同的子载波上面获得频率分集增益
空频发射分集
在不同的发射天线上发送具有不同相对延时的同一个信号, 人为地制造时间弥散,能够获得分集增益。且循环延时分集采用的是循环延时而不是线性延时,延迟是通过固定步长的移相(Cyclic Shift,循环移相)来等效实现延迟 。
SU-MIMO(单用户MIMO):指在同一时频单元上一个用户独占所有空间资源,这时 的预编码考虑的是单个收发链路的性能; MU-MIMO(多用户MIMO):指在同一时频单元上多个用户共享所有的空间资源,相当于一种空分多址技术,这时的预编码还要和多用户调度结合起来,评估系统的性能。
LTE中的MIMO模型
层映射 根据协议36.211,层数V≤P,P表示物理信道用于发射的天线端口数,且码字流的个数最多为2 。 协议规定:码字到层的映射可有1:1,1:2,2:2,2:3,2:4。 且1:2的情况只发生在P=4的条件下。
空间复用方式下预编码
预编码:克服无线信道的相关性。当多路径信道在一个或多个MIMO接收机上无法提供足够的SINR(信噪比)时,预编码技术可以极大地提高系统性能。
mimo是什么意思
mimo是什么意思mimo 是什么意思? mimo 的全称为“ multispectralmuroscope”,中文翻译过来叫做“多输入多输出”。
它主要用来解决蜂窝电话、无线数据通信和其他移动设备的多输入/多输出问题,让所有终端都能够共享一个处理单元(CPU)。
简而言之,就是将几个通道合并成一个,使用多天线系统来提高频谱效率。
Mimo 的目标是减少干扰,增加容量,降低功耗。
MIMO 是一种新的调制技术,它可以把两路信号合二为一,从而大幅度地增强了频谱利用率, MIMO 技术是第三代移动通信的核心技术。
MIMO 技术在无线传输系统中起到的作用类似于多普勒效应,即信号接收器可以根据自己接受到的信号,推断发送方的位置。
这样,MIMO 技术既保证了较好的接收性能,又避免了多径带来的误码率上升,提高了系统的抗干扰能力。
对于不同波长的光,其相速不同,因此,当一束光经过某些介质时,会产生反射或折射现象,这种现象被称为多普勒效应。
多普勒效应的本质是频率差。
对于单模光纤,其频率范围是单一的,但是对于多模光纤,由于模式耦合,不同模式的光纤,会引起不同的频率分量。
由于光在传播途中遇到障碍物时会改变原来的传播方向,我们把这种由于光在介质中的传播而造成的频率偏移现象称为多普勒效应。
在移动通信中,通常使用单模光纤,多普勒效应比较明显,采用 MIMO 技术可以进一步消除多普勒效应的影响,从而获得更高的系统容量。
MIMO 技术的实质是将两个或者多个光载波信号结合在一起,然后再把每个信号分开调制到光载波频率上去,这样在不增加带宽的情况下可以大幅度提高频谱利用率。
在移动通信中,信道是随机变化的,所以导致了衰落现象。
多天线技术的出现,可以增加系统的信噪比,抑制背景噪声。
在一般情况下, MIMO 系统中每个天线的增益是相等的,所以当某个天线发生故障时,系统仍然能正常工作。
在 MIMO 系统中,由于各个天线都具有与传输信息相关的功能,因此,系统具有自适应功能,即在任何一个天线发生故障时,都不会影响系统的正常工作。
mimo名词解释
mimo名词解释
Mimo(多模多频)是一种通信技术,指的是在同一设备上同时支持多种通信模式,如语音、数据、图像等,并且能够在不同频率下同时传输。
Mimo技术在现代通信领域中应用广泛,例如在移动电话、无线网络、卫星通信等领域。
它可以显著提高通信系统的效率和可靠性,尤其是在多用户、多任务处理的情况下。
Mimo的实现方式有很多种,其中最常见的是多路复用(MIMO)技术。
多路复用技术可以将多个数据流在同一设备上同时传输,从而提高了通信系统的带宽利用率和信道选择性。
在MIMO系统中,每个用户都被分配到不同的天线方向上,从而实现了高度选择性的数据传输。
除了多路复用技术外,MIMO还有其他实现方式,如空间分集(的空间复用)、正交频分复用(OFDM)等。
在不同的应用场景中,Mimo技术可以选择不同的实现方式,以满足不同的需求。
Mimo技术在通信领域中有着广泛的应用,可以提高通信系统的效率和可靠性,为各种通信系统的发展提供了技术支持。
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Sum Capacity of Multiuser MIMO Broadcast Channels with Block Diagonalization Zukang Shen,Runhua Chen,Jeffrey G.Andrews,Robert W.Heath,Jr.,and Brian L.EvansThe University of Texas at Austin,Austin,Texas78712Email:{shen,rhchen,jandrews,rheath,bevans}@Abstract—The sum capacity of a Gaussian broadcast MIMO channel can be achieved with Dirty Paper Coding(DPC).De-ploying DPC in real-time systems is,however,impractical.Block Diagonalization(BD)is an alternative precoding technique for downlink multiuser MIMO systems,which can eliminate inter-user interference at each receiver,at the expense of suboptimal sum capacity vs.DPC.In this paper,we study the sum capacity loss of BD for afixed channel.We show that1)if the user channels are orthogonal to each other,then BD achieves the complete sum capacity;and2)if the user channels lie in a common row vector space,then the gain of DPC over BD can be bounded by the minimum of the number of transmit and receive antennas and the number of users.We also compare the ergodic sum capacity of DPC with that of BD in a Rayleigh fading channel.Simulations show that BD can achieve a significant part of the total throughput of DPC.An upper bound on the ergodic sum capacity gain of DPC over BD is derived,which can be evaluated with a few numerical integrations.With this bound, we can easily estimate how far away BD is from being optimal in terms of ergodic sum capacity,which is useful in directing practical system designs.I.I NTRODUCTIONMultiple-input-multiple-output(MIMO)systems can signif-icantly increase the spectral efficiency by exploiting the spatial degree of freedom created by multiple antennas.It has been shown that the point-to-point MIMO channel capacity scales linearly with the minimum number of transmit and receive antennas in Rayleigh fading channels[1].For Gaussian MIMO broadcast channels(BC),it was conjectured in[2][3]and recently proven in[4]that Dirty Paper Coding(DPC)[5] can achieve the capacity region.A duality relationship for the MIMO broadcast DPC capacity region to the MIMO multiple access channel(MAC)capacity region is shown in[3][6]. The sum capacity in a multiuser MIMO broadcast channel is defined as the maximum aggregation of all the users’data rates.Although the sum capacity of a Gaussian MIMO BC channel can be achieved with DPC[3],deploying DPC in real systems is very complicated and impractical.An alternative low-complexity precoding technique is Block Diagonalization (BD)[10]–[13],which is an extension of the zero-forcing precoding technique for downlink multiuser MIMO systems. With BD,each user’s precoding matrix lies in the null space of all other users’channels.Hence if the channel matrices of all users are perfectly known at the transmitter,then there is no interference at every receiver,rendering a simple receiver structure.Furthermore,the transmitter’s complexity is much lower for BD than DPC.On the other hand,BD is inferior in terms of sum capacity to DPC,since the users’signal covariance matrices are generally not optimal for sum capacity.The sum capacity gain of DPC vs.TDMA has been studied in[15].For afixed channel,it has been proven that the gain of DPC over TDMA is bounded by the minimum of the number of users and the number of transmit antennas,for different user number,antenna setting and SNR.Furthermore,it has been shown in[16]that the ergodic sum capacity of BD scales the same as DPC in the number of users for Rayleigh fading channels.In this paper,we focus on the sum capacity gain of DPC over BD.We define BD’s sum capacity to be the maximum total throughput over all possible user sets.Hence the TDMA sum capacity is automatically incorporated in BD’s sum capacity definition.Therefore,the general bound on the gain of DPC vs.TDMA applies to the gain of DPC vs.BD.We show that for afixed channel1)if user channels are orthogonal to each other,then BD achieves the same sum capacity as DPC;2)if user channels lie in the same subspace,then the gain of DPC over BD can be reduced to the minimum of the number of transmit and receive antennas and the number of users.Furthermore,the ergodic sum capacity of DPC is compared to that of BD in a Rayleigh fading channel.We show that BD achieves a significant part of the DPC sum capacity for low and high SNR regimes,or when the number of transmit antennas is much larger than the sum of all users’receive antennas.An upper bound on the ergodic sum capacity gain of DPC over BD is derived.The proposed upper bound on the gain can be evaluated with a few numerical integrations, hence providing an easy way to compare the performance of BD vs.DPC without performing the time-consuming Monte Carlo simulations.II.S YSTEM M ODEL AND B ACKGROUNDIn a K-user downlink multiuser MIMO system,we denote the number of transmit antennas at the base station as N t and the number of receive antennas for the j th user as N r,j.The transmitted symbol of user j is denoted as a N j(≤N r,j)-dimensional vector x j,which is multiplied by a N t×N j precoding matrix T j and sent to the basestation antenna array.The received signal y j for user j can be represented as y j=H j T j x j+Kk=1,k=jH j T k x k+v j(1) where v j denotes the Additive Gaussian White Noise(AWGN)vector for user j with variance E [v j v ∗j ]=σ2I ,where ()∗de-notes the matrix conjugate transpose.Matrix H j ∈C N r,j ×N t denotes the channel transfer matrix from the basestation to the j th user,with each entry following an plex Gaussian distribution CN (0,1).For analytical simplicity,we assume that rank (H j )=min(N r,j ,N t )for all users.It is also assumed that the channels H j experienced by different users are independent.The key idea of block diagonalization is to precode each user’s data x j with the precoding matrix T j ∈U (N t ,N j ),such thatH i T j =0for all i =j and 1≤i,j ≤K,(2)where U (n,k )represents the class of n ×k unitary matrices,i.e.the collection of vectors (u 1,...,u k )where u i ∈C n for all i ,and the k -tuple (u 1,...,u k )is orthonormal.Hence with precoding matrices T j ,the received signal for user j can be simplified toy j=H j T j x j +v j .(3)Let H j =[H T 1···H T j −1H T j +1···H T K ]T ,where ()Tdenotes the matrix transpose.To satisfy the constraint in (2),T j shall be in the null space of Hj .Let N j denote the rank of Hj .Let the singular value decomposition of H j be H j = U j Λj [ V 1j V 0j ]∗,where V 1j contains the first N j rightsingular vectors and V 0j contains the last (N t − N j )rightsingular vectors of H j .The columns in V 0j form a basis set inthe null space of Hj ,and hence T j can be any rotated verison of V 0j .Note that T j satisfying (2)does not always exist.The sufficient condition for the existence of such matrices is N t ≥ Kj =1N r,j ,as shown in [10].In the rest of the paper,we assume that every user has the same number of receive antennas,i.e.{N r,k }K k =1=N r .III.BD VS .DPC:S UM C APACITY FOR F IXED C HANNELSConsider a set of fixed channels for a multiuser MIMO system,where K ={1,2,···,K }denote the set of all users,and A i be a subset of K .Let H j =H j T j denote the effective channel after precoding for user j ∈A i .The total throughput achieved with BD applied to the user set A i with total power P can be expressed asC BD (H A i ,P,σ2)=max {Q j :Q j ≥0,2j ∈A iTr(Q j )≤P }j ∈A ilog I +1σ2H j Q j H ∗j(4)where Q j =E [x j x ∗j ]is user j ’s input covariance matrix of size N j ×N j and Tr(A )denotes the trace of matrix A .Let A be the set containing all A i ,i.e.A ={A 1,A 2,···}.The sum capacity of BD is defined as the maximum total throughput of BD over all possible user sets,i.e.C BD (H 1,···,K ,P,σ2)=max A i ∈AC BD (H A i ,P,σ2).(5)It has been proven that the sum capacity of a multiuser Gaussian broadcast channel is achieved with dirty paper cod-ing [3].With the duality results in [3],the DPC sum capacity can be expressed asC DP C (H 1,···,K ,P,σ2)=max {S j :S j ≥0,K 2j =1Tr(S j )≤P }log I +1σ2K j =1H ∗j S j H j (6)where S j of size N r ×N r is the signal covariance matrix for user j in the dual multiple access channel.In this section,we are interested in the gain of DPC over BD in terms of sum capacity.Analogous to [15],we define the ratio of DPC to BD asG (H 1,···,K ,P,σ2) C DP C (H 1,···,K ,P,σ2)C BD (H 1,···,K ,P,σ2).(7)The gain is obviously dependent on the channel realizations {H k }K k =1,the total power,and noise variance.In the next theorem,we give a bound on G (H 1,···,K ,P,σ2)that is validfor any {H k }K k =1,P ,and σ2.Theorem 1:The sum capacity gain of DPC over BD is lower bounded by 1and upper bounded by the minimum of N t and K ,i.e.1≤G (H 1,···,K ,P,σ2)≤min {N t ,K }(8)Proof:Theorem 3in [15]states thatC DP C (H 1,···,K ,P,σ2)C T DMA (H 1,···,K ,P,σ2)≤min {N t ,K }(9)whereC T DMA H 1,···,K ,P,σ2=max k max {Q k :Q k ≥0,Tr (Q k )≤P }logI +1σ2H k Q k H ∗k (10)is the maximum single user capacity among all users.Thedefinition of the sum capacity for BD indicates thatC BD (H 1,···,K ,P,σ2)≥C T DMA (H 1,···,K ,P,σ2).(11)Further,since DPC is optimal for sum capacity,we haveC DP C (H 1,···,K ,P,σ2)≥C BD (H 1,···,K ,P,σ2).(12)Combining (9),(11),and (12)completes the proof.2The above bound can be tightened in two special cases.Lemma 1:Assume N r ≤N t and K ≤ N tN r.If {H k }K k =1are mutually orthogonal H 1⊥H 2⊥···⊥H K ,i.e.H i H ∗j =0for i =j ,thenC DP C (H 1,···,K ,P,σ2)=C BD (H 1,···,K ,P,σ2).Proof:Please see appendix I.2Lemma 1shows when the user channels are mutually orthogonal,user cooperation is not necessary to achieve the sum capacity because all users do not interfere with each other.Interestingly,BD can also achieve the same capacity in this case.This is different from the TDMA scheme in [15]where,even if the users are mutually orthogonal,it is not possible to achieve the same sum capacity as DPC.Actually,the gain of DPC over TDMA can still be at the maximum,i.e.min {N t ,K },when the users are mutually orthogonal.The next Lemma shows a bound on the gain of DPC over BD when all user channels are in the same vector subspace.Lemma 2:Assume N r ≤N t .If the row vector spaces of all user channels are the same,i.e.span(H 1)=span(H 2)=···=span(H K ),which is denoted as W ,thenG (H 1,···,K ,P,σ2)≤min {N r ,K }.Proof:Please see appendix II.2IV.BD VS .DPC:E RGODIC S UM C APACITY IN R AYLEIGHF ADING C HANNELS In this section,we analyze the ergodic capacity of a mul-tiuser MIMO system with block diagonalization vs.DPC.LetH j =H j T j (of size N r ×N j )be the effective channel for user j after precoding.Assuming that H j are independent for different j and the elements in H j are plex Gaussian random variables,we have the following theorem on the probability density function of H j .Theorem 2:In a downlink MIMO system with Block Diagonalization applied to a fixed set of users,if the MIMO channel for each user is modeled as plex Gaussian,then the effective channel after precoding is also an plex Gaussian matrix.Proof :Since H j =H j T j and H j is plex Gaussian,then H j conditioned on T j is also complex Gaussian and independent of T j .Hence H j is independent of T j .2Theorem 2indicates that if BD is applied to a fixed set of users,the ergodic capacity of user j can be easily evaluatedwith the eigenvalue distribution of H j H ∗j [1][18].A.A Lower Bound on Ergodic Sum Capacity with BDLet A i ={1,···,i }be a subset of users,i.e.A i ∈K ,for i =1,···,I where I =min K, N tN r.With i ≤min K, N tN rand the elements in {H }K k =1are generated according to an plex Gaussian distribution,we haveE C BD (H A i ,P,σ2) (a )≥E ⎡⎣i j =1log I +1σ2H j Q j H ∗j ⎤⎦=i j =1E N r n =1log 1+P j,n σ2λ2j,n (b )≥i j =1E N r n =1log 1+P iN r σ2λ2j,n =i j =1N r E log 1+P iN r σ2λ2j,1 (c )=i N r E log1+P iN r σ2λ2i,1 (13) C BD (H A i ,P,σ2)where λ2j,n are n th unordered eigenvalues of H j H ∗j and H j is of size N r ×(N t −(i −1)N r ).Inequality (a)holds because the RHS assumes all i users are simultaneously transmitting for all channel realizations.Inequality (b)holds because the RHS assumes equal power is allocated to every non-zero eigenmodes.Equality (c)holds because λj,1has the same distribution for j =1,2,···,i .For notational simplicity,we denote αi =λ2i,1and N i =N t −(i −1)N r .With Theorem 2and [1],the distribution of αi can be expressed asp N i ,N r (αi )=1N r N rm =1ϕm (αi )2αN i −N r i e−αi(14)whereϕk +1(αi )=k !(k +N i −N r )! 1/2L N i −N r k(αi )(15)for k =0,1,···,m −1,andL n −m k(x )=1k !e x xm −n d k dx ke −x x n −m +k .(16)Hence (13)can be evaluated with a numerical integration.Now we can lower bound the ergodic sum capacity with BD byE C BD (H 1,···,K ,P,σ2)≥max 1≤i ≤IC BD (H A i ,P,σ2).(17)It is important to note thatin order to evaluate the lower bound,up to I =min K, N tN rnumerical integrations need to be carried out because of the maximization in the RHS of (17).B.An Upper Bound on the Ergodic Sum Capacity of DPC It is well known that the sum capacity of a K -user broadcast channel with DPC is upper bounded if the receivers areallowed to cooperate [2][3].Let H =[H T 1H T 2···H T K ]T,and N =max {N t ,KN r }and M =min {N t ,KN R },thenE C DP C (H 1,···,K ,P,σ2) ≤E logI +1σ2HQH ∗ =M m =1E log 1+P m 2λ2m =ME log 1+P 12α1 ≤M∞σ2/Γ0log Γ0α1σ2p N,M (α1)dα1(18) C coop (H 1,···,K ,P,σ2)(19)where λ2m is m th unordered eigenvalue of H ∗H and α1 λ21;p N,M (α1)is the distribution for α1,which is given by (14)with N r and N i replaced by M and N respectively.The parameter Γ0is optimized so that the ergodic sum capacity is maximized with the average power constraint,i.e.M ∞σ2/Γ0 Γ0−σ2α p N,M (α)dα=P .Details on theinequality (18)can be found in [17].SNR (dB)E r g o d i c S u m C a p a c i t y (b i t s /s /H z )SNR (dB)E r g o d i c S u m C a p a c i t y G a i n : D P C v s . B DFig.1.Ergodic sum capacity of DPC vs.BD inRayleigh fading channels.N t =10,N r =2,K =5.E r g o d i c S u m C a p a c i t y (b i t s /s /H z )NtE r g o d i c S u m C a p a c i t y G a i n : D P C v s . B D NtFig.2.Ergodic sum capacity of DPC vs.BD in Rayleigh fading channels.N r =2,K =3,SNR =20dB.C.An Upper Bound on the Ergodic Capacity of DPC vs.BD From the above two sections,we can upper bound the ergodic sum capacity gain of DPC over BD as E C DP C (H 1,···,K ,P,σ2) E [C BD (H 1,···,K ,P,σ2)]≤C coop (H 1,···,K ,P,σ2)max 1≤i ≤IC BD (H A i ,P,σ2).(20)Notice that the upper bound in (20)is a functionof N t ,N r ,K ,P ,and σ2.Furthermore,min K, N tN r+1numerical integrations are necessary to evaluate the bound in (20).V.N UMERICAL R ESULTSIn this section,we provide some numerical demonstrations of the gain of DPC over BD.Fig.1(a)shows the ergodic sum capacity of DPC vs.BD under different SNRs,with N t =10,N r =2,and K =5.In the low SNR regime,BD achieves almost the same sum capacity as DPC because beamforming to the user with the best channel eigenvalue is asymptotically optimal for sum capacity in low SNRs.As SNR goes to infinity,the sum capacity of both DPC and BD increase with the same slope because both BD and DPC exploit the maximum number of eigenmodes among the users.Fig.1(b)shows the gain of DPC over BD from the curves in Fig.1(a),as well as the bound on the gain evaluated from (20).As SNR increases,the bound from (20)gets tighter to the results from Monte Carlo simulations.For low SNR,the bound in (20)is loose mainly because 1)the lower bound on BD assume equal power allocation to all non-zero eigenvalues;2)the cooperative upper bound on DPC is also loose in low SNR.Fig.2(a)shows the ergodic sum capacity of DPC vs.BD for different N t ,with N r =2,K =3,and SNR =20dB.As the number of transmit antenna increases,the sum capacity of BDgets closer to the sum capacity of DPC.Fig.2(b)showsS u m C a p a c i t y (B i t s /s /H z )KE r g o d i c S u m C a p a c i t y G a i n : D P C v s . B DKFig.3.Ergodic sum capacity of DPC vs.BD in Rayleigh fading channels.N t =10,N r =2,SNR =20dB.the gain of DPC over BD from the curves in Fig.2(a).It is observed that the bound from (20)is very tight for N t ≥8,with the specified N r ,K ,and SNR .Fig.3(a)shows the ergodic sum capacity of DPC vs.BD for different numbers of users,with N t =10,N r =2,and SNR =20dB.For small numbers of users,BD achieves almost the same sum capacity as DPC.As the number of users increases,DPC exhibits higher performance than BD.Fig.3(b)show the gain of DPC over BD from the curves on Fig.3(a).For small numbers of users,the bound from (20)is very tight compared to the Monte Carlo simulations.For larger numbers of users,the bound from (20)loosens.The main reason is that the lower bound on the sum capacity of BD in (17)only considers users 1−5and hence the effect of multiuser diversity is not reflected in (17).In summary,BD achieves a significant part of the sum capacity for low and high regimes,or when N t KN r .The bound in (20)is tight for median to high SNRs or whenK ≤ N tN r.A PPENDIX I P ROOF OF L EMMA 1Proof:Let the SVD of H i beH i =U i Λi V ∗i(21)where U i is of size N r ×N r and U i U ∗i =I ;Λi =diag {λi,1,λi,2,···,λi,N r }is a diagonal matrix of size N r ×N r ;and V i is of size N t ×N r and V ∗i V i =I .Fur-thermore,H ∗i H i V i =V i Λ2i .For i =j ,V ∗j V i=(Λ2j )−1V ∗j H ∗j H j H ∗i H i V i (Λ2i )−1=0because H j H ∗i =0.Let H =[H ∗1H ∗2···H ∗K ]∗,then the SVD of H can be ex-pressed as H =U ΛV ∗,where U =bdiag {U 1,U 2,···,U K }is an unitary block diagonal matrix of size KN r ×KN r ;Λ=bdiag {Λ1,Λ2,···,ΛK }is a diagonal matrix of size KN r ×KN r ;and V =[V 1V 2···V K ]is of size N t ×KN r and V ∗V =I .The capacity of the point-to-point MIMO channel H can be regarded as an upper bound on the sum capacity of the broadcast channel because user cooperation is allowed with H .HenceC DP C (H 1,···,K ,P,σ2)≤C coop (H 1,···,K ,P,σ2)(22)=K i =1N r n =1log 1+P i,n 2λ2i,n (23)where P i,n is the power allocated to user i ’s n th eigenmode and P i,n is obtained by the water-filling algorithm with totalpower constraint Ki =1N r n =1P i,n =P .On the other hand,since V ∗j V i =0for i =j ,we have H ∗j V i =0for i =j .Thus we can set T j =V j to satisfy the null constraint in (2).Notice the effective channel H j =H j V j has the same singular values as H j .Hence C BD (H 1,···,K ,P,σ2)≥max {Q j :Q j ≥0,2j ∈KTr(Q j )≤P }j ∈Klog I +12H j Q j H ∗j (24)=K i =1N r n =1log 1+P i,n σ2λ2i,n .(25)With (23),(25),and the fact that C DP C ≥C BD ,we have C DP C =C BD as the conditions in Lemma 3are satisfied.2A PPENDIX IIP ROOF OF L EMMA 2Proof:Let E =[e ∗1e ∗2···e ∗N r ]∗be a basis in W ,which is the row vector space spanned by {H i }K k =1,where e i is of size 1×N t .Hence EE ∗=I .Let the SVD of H i be H i =U i Λi V ∗i .There exists a unitary matrix R i of size N r ×N r such that V ∗i =R i E .Then H i =U i Λi R i E .Denote H (W )i =U i Λi R i ,itis easy to see that H (W )ihas the same singular values of H i .Hence C DP C (H 1,···,K ,P,σ2)=max {S j :S j ≥0,K 2j =1Tr(S j )≤P }log I +1σ2K j =1H ∗j S j H j=max {S j :S j ≥0,K 2j =1Tr(S j )≤P }logI +K j =1E ∗(H (W )i )∗S j H (W )i E σ2 =max {S j :S j ≥0,K 2j =1Tr(S j )≤P }log I +1σ2K j =1(H (W )i )∗S j H (W )i =C DP C (H (W )1,···,K ,P,σ2).(26)Since the size of H (W )i (for i =1,2,···,K )is N r ×N r ,analogous to Theorem 1in [15],we can obtain C DP C (H 1,···,K ,P,σ2)=C DP C (H (W )1,···,K ,P,σ2)≤N r log1+P σ2λ2max (27)where λmax =max 1≤i ≤K,1≤n ≤N rλi,n where λi,n is the i th user’s n th singular value.On the other hand,if span(H 1)=span(H 2)=···=span(H K )and only one user is supported with BD,we haveC BD (H 1,···,K ,P,σ2)=C T DMA (H 1,···,K ,P,σ2)(28)≥log 1+P σ2λ2max(29)Then we can immediately obtainG (H 1,···,K ,P,σ2)≤min {N r ,K }(30)by Theorem 3in [15].2R EFERENCES[1]I.E.Telatar,“Capacity of Multi-Antenna Gaussian channels,”EuropeanTrans.on Telecommunications ,vol.10,no.6,pp.585–595,Nov./Dec.1999.[2]G.Caire and 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