mimo技术原理

1.MIMO技术原理
数据
空 时 编 码
数 模 转 换
射 频 前 端
h1 1 h1 2
h1 n
T

hn
射 频 前 端
模 数 转 换
空 时 解 码
数据
R
nT

s
H
s1 (t ) s (t ) 2 s(t)= snT (t )
h11 (t , )h12 (t , ) h21 (t , )h22 (t , ) H (t , ) hnR 1 (t , )hnR 2 (t , )
2.MIMO的空时编码
空时分组码-分集
Alamouti STBC编码
在这种编码方案中，每组m比特信息首先调制为M=2m 进制符号。然后编码器选取连续的两个符号，根据下述变 换将其映射为发送信号矩阵。
x X 1 x2
* x2 * x1
天线1发送信号矩阵的第一行，而天线2发送信号矩阵 的第二行。编码器结构如下图所示。
数据
空 时 编 码
数 模 转 换
射 频 前 端
h1 1 h1 2
h1 n
T

hn
射 频 前 端
模 数 转 换
空 时 解 码
数据
R
nT

s
H
r(t)=H (t, )s(t ) n(t )
t 0, T , 2T , , MT
R HS N

r
主要内容
MIMO技术原理
MIMO空时编码
MIMO信道模型 MIMO信道容量
2.MIMO的空时编码
分层空时码-复用
2.MIMO的空时编码
分层空时码-复用
xt1
编码器
调制器
交织器S/P
编码器
调制器
交织器
xtnT
DLST的一般结构
2.MIMO的空时编码
分层空时码-复用
2.MIMO的空时编码
分层空时码-复用
调制器 交织器
xt1
……
编码器
MIMO的观点：独立多径的利用
1.MIMO技术原理
１９０８年马可尼就提出用它来抗衰落； 20世纪70年代提出提出将多入多出技术用于通信系统； 20世纪90年代，AT&T Bell实验室完成奠基性工作。
1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量； 1996年Foshinia提出对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法； 1998年Wolniansky等人提出垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法， 并建立了一个MIMO实验系统。
i 1 L
陈列操纵矢量（陈列机构和去波角的函数）
a( , ) [1a1 , anR , ]T
第m个分量为
3. MIMO的信道模型
MIMO冲激响应信道模型
h11 (t , )h12 (t , ) h21 (t , )h22 (t , ) H (t , ) hnR 1 (t , )hnR 2 (t , ) h1nT (t , ) h2 nT (t , ) hnR nT (t , )
2.MIMO的空时编码
空时分组码-分集
编码器 信源 调制器
时 域
Tx1
* x1 [ x1 , x2 ]
Tx2
* 2 * 1
x1 [ x1 , x2 ] x2
x 空 x 域
* x 2 [ x2 , x1 ]
Alamouti空时块编码器结构
由图可知，Alamouti空时编码是在空域和时域上进行编码。 令天线1和2的发送信号向量分别为：
h1nT (t , ) h2 nT (t , ) hnR nT (t , )

r
n1 (t ) n (t ) 2 n(t)= n ( t ) nR
1.MIMO技术原理
3. MIMO的信道模型
MIMO空间信道模型
单环模型，改进的单环模型，离散均匀模型，几何单 反射统计信道模型，高斯广义平稳非相关散射模型，高斯 达波角模型，时变向量信道模型，抽头延迟线模型等。
3. MIMO的信道模型
MIMO信道模型总述
物理模型 收发天线件电磁波的双向多径传播特性，借助物理参 数描述MIMO信道特征与散射分布： 达波角AOA、去波 角AOD、达波时间TOA。 分析模型 同时考虑电磁波的传播特性和天线配置描述收发天线 间的信道冲激响应。信道系数在空间和时间上是相关的随 机过程。
MIMO技术基本知识
高 玉 龙
哈尔滨工业大学通信技术研究所
通信技术研究所
Communication Research Center
主要内容
MIMO技术原理
MIMO空时编码
MIMO信道模型 MIMO信道容量
1.MIMO技术原理
无线通信的现状：频谱资源稀缺 无线通信的要求：提高频谱利用率 无线信道的特点：多径 传统观点： 多径衰落—抑制多径和对抗多径—信道编码，交织 (时间分集)，频率分集—天线分集-智能天线 多天线分集技术只是初步简单地利用了空域信息， 而智能天线技术则比较充分地利用了空域信息。
3. MIMO的信道模型
无线通信信号特点

大尺度衰落
描述由距离引起的信号的衰减，中值信号功率与 距离长度增加的某次幂成反比变化。
3. MIMO的信道模型
无线通信信号特点
3. MIMO的信道模型
SISO冲激响应信道模型
h(t , ) i (t , ) exp[ j 2 ( f c f ) i (t )] [ i (t )]
无线通信中的电波传播
3. MIMO的信道模型
无线电波反射
发生在光滑的、远大于波长的介质表面，如平坦的陆地、 海面、建筑物和墙壁等物体的表面。
3. MIMO的信道模型
无线电波绕射
当接收机和发射机之间的无线路径被物体的边缘阻挡时 发生绕射。绕射使得无线电信号能够传播到阻挡物后面。
3. MIMO的信道模型
* 2 * x1 x , x , x x , x 1 2 2 1
这种空时编码的关键思想在于两个天线发送的信号向量相 互正交 。
主要内容
MIMO技术原理
MIMO空时编码
MIMO信道模型 MIMO信道容量
3. MIMO的信道模型
无线电波传播
3. MIMO的信道模型
无线电波散射
当电磁波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积 内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射散射波产生于粗糙 表面、小物体或其它不规则物体。在实际通信系统中，树 叶、街道标志和灯柱等都会引发散射 。
3. MIMO的信道模型
无线通信信号特点

陆地无线电波传播极其复杂，存在直射、反射、绕射 和散射等多种传播方式和多径，有时会引起严重的信 号衰落 。 基站发出的无线电信号的传播路径损耗受地面地形地 物的影响很大，基站越高信号传得越远 。 无线电波传播还和频率相关，频率越高，传播路径损 耗越大，绕射能力越弱，传播的距离也越近。
3. MIMO的信道模型
MIMO无线信道空间特征
平均达波角与平均去波角 在很多研究中，都假定平均达波方向与平均去波 方向垂直阵列轴线，而忽略其他方向。实际上， 平均达波角与平均去波角对信道空间特征的影响 是不可忽略的，平均达波与去波偏离阵列法线方 向将导致多径信号的相关性增强，可分离性降低， 信道性能下降。 收发天线配置 多天线单元的方向图、增益、极化、间距、互藕、 空间布局等因素。 多普勒扩展 收发间的相对运动或散射体的运动引起
3. MIMO的信道模型
MIMO信道模型总述
物理模型 思路：明确建筑物和自然界物体的精确位置，大小和分布。 分类：确定性信道模型，基于几何随机信道模型和非几何 随机信道模型。 分析模型 思路：数学分析方法描述收发天线间的信道冲激响应，而不 需要明确电磁传播特性。通过信道矩阵。 分类：传播驱动模型和基于相关法模型。
i 1 L
陈列操纵矢量（陈列机构和达波角的函数）
a( , ) [1a1 , anR , ]T
第m个分量为
3. MIMO的信道模型
MISO冲激响应信道模型
h(t , ) [h1 (t , )h1 (t , ) hnR (t , )]T a(i , i ) i exp[ j 2 ( f c f ) i (t )] [ i (t )]
提高数据速率/ 减小差错率
2.MIMO的空时编码
总述
20世纪80年代Winters研究天线分集，提出空时编码概念； 90年代Stanford大学的Raleigh和Cioffi以及瑞士ASCOM的 Wittneben 研究多天线的系统容量；
1998年贝尔实验室Tarokh0等人于1998年率先提出了空时编 码分层结构。
i 1
L
3. MIMO的信道模型
SIMO冲激响应信道模型
h(t , ) [h1 (t , )h1 (t , ) hnR (t , )]T a(i , i ) i exp[ j 2 ( f c f ) i (t )] [ i (t )]
S/P
调制器
交织器
xtnT
xt1
编码器
调制器
交织器
……
S/P
编码器
调制器
交织器
xtnT
V-LST的两种结构
2.MIMO的空时编码
空时分组码-分集
空时编码就是将空域上的发送分集和时域上的信道编码相 结合的联合编码技术。空时编码的概念是J.H.Winter于 1987年提出的。 空时格码（STTC：Space-Time Trellis Code） 空时分组码（STBC：Space-Time Block Code） 空时分组码是利用正交设计的原理分配各发射天线上的发 射信号格式，实际上是一种空域和时域联合的正交分组编 码方式。空时分组码可以使接收机解码后获得满分集增益 ，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，使译码复杂度 大大降低。


3. MIMO的信道模型
无线通信信号特点

小尺度衰落
通常认为相位符合均匀分 布，幅度根据不同的场景 符合Rayleigh 分布， Ricean 分布，对数正太分 布，Nakagami分布。
3. MIMO的信道模型
无线通信信号特点

中尺度衰落
描述阴影衰落，变化趋向于正态（高斯）分布， 通常称为对数正态衰落。
hmn (t , ) 表示第n副发射天线和第m副接收天线之间
的SISO子信道的冲激响应。
3. MIMO的信道模型
MIMO无线信道空间特征
多径散射分布 采用功率方位角谱(PAS)(角谱分布)描述，主要受传播 环境影响，如宏观传播环境(市区、郊区或乡村)，局部 传播环境(室内、过道或室外)，天线架设高度，终端运 动速度等。 常用的角谱分布有余弦分布，均匀分布，高 斯分布(GSM)，拉氏分布(DCS1800)。 散射角度扩展 散射的分散程度，决定了信号的可分离性。
2.MIMO的空时编码
总述
MI MO 系统 实现
……
发射机 MIMO多天线技术
……
接收机
空 时 编 码 提 高 的 性 能
空间复用技术 (SM)
空间分集技术 (空时编码/ 分集接收)
折中 折中
空时预编码技术 (波束成形)
复用增益
分集增益/ 编码增益
天线增益/ 干扰抑制
提高数据速率/ 频谱效率
减小差错率/ 提高可靠性
目前，空时编码方法主要有分层空时码( LSTC )、 空时网格码(STTC )、空时分组码(STBC )、酉空时码以及 差分空时码等。
2.MIMO的空时编码
分层空时码-复用
1996年，G.J.Foschini提出了对角结构分层空时结构 （D-BLAST: Bell-laboratories layered Space-time）。 1998年，Wolniansky等提出了垂直结构的分层空时码 (V-BLAST)，是对D-BLAST的一种简化。