浅谈mimo技术PPT课件
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一、MIMO技术简介 二、基本原理 三、空时编码 四、应用及展望
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MIMO的基本原理
MIMO信道是在收发两端使用多个天线，每个 收发天线之间形成一个MIMO子信道，假定发送端 存在nR个发送天线，接收端有nT个接收天线，系统 框图如图所示：
第10页/共40页
MIMO的基本原理 在系统的每一个符号周期内，发送信号可以用一个nT×1 的列向量x =[x1 x2 ⋅⋅⋅xi ⋅⋅⋅xnT ]T表示，其中xi表示在第i 个天线上发送的数据。发送 信号的协方差可以表示为
第5页/共40页
MIMO的发展历史
至2010年年底，IEEE数据库收录 该领域的研究论文已达上万篇，从 MIMO无线通信技术的理论研究到实验 验证，再到商用化的各个方面。目前， 国际上很多科研院校与商业机构都争 相对MIMO通信技术进行深入研究。
第6页/共40页
MIMO的技术特点
采用空时处理技术进行信号处理，在 不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统 的容量和频谱利用率 ，使得系统能在有限 的无线频带下传输更高速率的数据业务。
第2页/共40页
MISO系统
SIMO系统
第来抗 衰落。在70年代有人提出将多入多出技 术用于通信系统，但是对无线移动通信 系统多入多出技术产生巨大推动的奠基 工作则是由AT&TBell实验室学者完成的。
第4页/共40页
MIMO的发展历史
接收端取得的总信噪比为nRς，此时等效的单天线系统与原来纯粹的 单天线系统相比，获得了nR 倍的分集增益，信道容量表示为
第17页/共40页
MIMO的基本原理
（2）正交传输信道的MIMO系统
对于正交传输的MIMO系统，即多根天线构成的并行子信道相互正交， 单个子信道之间不存在相互干扰。为方便起见，假定收发两端的天线数相 等（nR ＝ nT ＝ L），信道矩阵可以表示为：
假设接收机采用单天线接收。天线1和2所发送的信号所经历的信道 响应系数分别为
第29页/共40页
STBC编码 在接收端，相邻两个符号周期接收到的信号可以表示为
其中，n1和n2 表示第一个符号和第二个符号所受到的加性白高斯 噪声的干扰。
第30页/共40页
STBC译码
在接收端 采用最大似然 译码器进行译 码，其结构如 图：
第22页/共40页
一、MIMO技术简介 二、基本原理 三、空时编码 四、应用及展望
第23页/共40页
空时编码
空时块编码（STBC）
具有良好的分集增益 。
空时格码（STTC）
不仅具有优良的分集增益，还具有良好的编码增益 。
分层空时码（LST）
可获得较高的复用增益。
第24页/共40页
STBC编码
空时块编码（STBC）能使MIMO系 统获得良好的分集增益，其本质是将信 号经过正交编码后由多根天线发送，由 于经过正交编码后的信号相互独立，所 以在接收端可以很容易的将信号区别开 来。在接收端只需进行简单的线性合并 即可获得发送信号。
I L为L×L的单位矩阵
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信道容量为：
MIMO的基本原理
与原来的单天线系统相比，信道容量获得了L倍的增益，这是由于 各个天线的子信道之间的耦合的结果。
第19页/共40页
MIMO的基本原理 如果信道系数的幅度随机变化，MIMO信道的容量为一随机变量，它的 平均值可以表示为
式中，r 为信道矩阵H得秩， r = min(nR , nT ) 下图是MIMO信道容量累计概率分布曲线图，它反映了信道容量累计 分布与发射和接收天线数得变换关系。
一、MIMO技术简介 二、基本原理 三、空时编码 四、应用及展望
第37页/共40页
MIMO技术的应用
在3GPP(第三代协作伙伴项目)的高速下行链路分组接入方案（High Speed Downlink Packet Access, HSDPA)中提出了使用MIMO天线系统, 这 种系统在发送和接收方都有多副天线,可以认为是双天线分集的进一步扩展。
上式可进一步简化为
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STBC译码 由此可知，给定信道的冲激响应，则两个判决统计量分别为各自发送信 号的函数。则最大似然准则可分解为独立的两个准则，即
第35页/共40页
STBC译码
当采用MPSK调制时，对于所有的信号点
化为
，i=1, 2 是常量，因此，最大似然判决准则可以进一步简
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MIMO的基本原理
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MIMO的基本原理
目前MIMO技术领域的研究热点之一是空 时编码，空时编码技术真正实现了空分多 址。空时码利用空间和时间上的编码实现 一定的空间分集和时间分集，从而降低信 道误码率。总之MIMO技术有效利用了随 机衰落和多径传播力量，在同样的带宽条 件下为无线通信的性能带来改善。
一、MIMO技术简介 二、基本原理 三、空时编码 四、应用及展望
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MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)即是多输入多输出技术，是指在 发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收 端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量（误比特率或数据 速率）。
（1）全“1”信道矩阵的 MIMO系统
如果接收端采用相干检测合并技术，那么经过处理后的每根天线上的 信号应同频同相，这时可以认为来自nT 发射天线上的信号都相同， si = s, i = 1, 2, …, nT ，第j 根天线接收到的信号可表示为rj = nT si = nT s, j =1, 2, …, nR ，且该天线的功率可表示为
1995年Teladar给出了在衰落情况下 的MIMO容量；1996年Foshinia给出了一 种多入多出处理算法——对角-贝尔实验 室分层空时(D-BLAST)算法；1998年 Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码； 1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实 验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个 MIMO实验系统，在室内试验中达到了 20bit/s/Hz以上的频谱利用率。
技术概念简单，任何一个无线通信系 统，只要其发射端和接收端均采用了多个 天线或者天线阵列，就构成了一个无线 MIMO 系统。
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MIMO的技术特点
MIMO 技术在室内传播环境下的 频谱效率可以达到20 ~ 40bit/s/Hz 传统无线通信技术在移动蜂窝中 的频谱效率仅为1~5 bit/s/Hz 点到点的固定微波系统中也只有 10 ~ 12 bit/s/Hz
STBC编码 天线1发送信号矩阵X的第一行，天线2发送信号矩阵的第二行。 Alamouti STBC是在时域和空域上进行编码。令天线1和天线2的发送信号矢 量分别为
可以明显地看出两根天线发送的信号矢量是相互正交的，即
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相应地，编码矩阵的特征如下式所示：
STBC编码
其中，I2是2×2的单位矩阵。
15浅谈mimo技术mimo的基本原理1全1信道矩阵的mimo系统如果接收端采用相干检测合并技术那么经过处理后的每根天线上的信号应同频同相这时可以认为来自n根天线接收到的信号可表示为r天线的功率可表示为16浅谈mimo技术mimo的基本原理则在每根接收天线上取得的等效信噪比为此时的多天线系统等效为某种单天线系统但这种单天线系统相对于原来纯粹的单天线系统取得了n17浅谈mimo技术mimo的基本原理如果接收端采用非相干检测合并技术由于经过处理后的每根天线上的信号不尽相同在每根接收天线上取得的信噪比仍然为接收端取得的总信噪比为n?此时等效的单天线系统与原来纯粹的单天线系统相比获得了n倍的分集增益信道容量表示为18浅谈mimo技术mimo的基本原理2正交传输信道的mimo系统对于正交传输的mimo系统即多根天线构成的并行子信道相互正交单个子信道之间不存在相互干扰
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STBC译码
假设在接收端可以获得理想的信道估计，且每个信号落到信号星
座图上的概率是等概的，则最大似然译码算法要求在信号星座图上选
择一对信号
来最小化与接收信号之间的欧氏距离，即
第32页/共40页
STBC译码 将
代入可得最大似然译码准则为
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STBC译码 其中，C表示调制符号对的组合 。 是判决统计量，表示为
第15页/共40页
MIMO的基本原理
则在每根接收天线上取得的等效信噪比为nTς，因此在接收端取得的总 信噪比为nTnRς。此时的多天线系统等效为某种单天线系统，但这种单天 线系统相对于原来纯粹的单天线系统，取得了nT nR 的分集增益，信道容 量可以表示为
第16页/共40页
MIMO的基本原理 如果接收端采用非相干检测合并技术，由于经过处理后的每根天线 上的信号不尽相同，在每根接收天线上取得的信噪比仍然为
接收信号的功率可表示为
第13页/共40页
MIMO的基本原理 对于分别配有nT 根发射天线和nR 根接收天线的MIMO信道，发射端在 不知道传输信道的状态信息条件下，如果信道的幅度固定，则信道容量可 以表示为
式中的min为nT 和nR 的最小数，ς为信噪比，矩阵Q的定义如下：
第14页/共40页
MIMO的基本原理
MIMO技术已经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中。
第38页/共40页
MIMO的前景展望
四大技术难点即研究热点：
信道建模和信道容量 MIMO系统的信号设计和信号处理 与传播相关的研究方向 MIMO在未来网络中的应用
第39页/共40页
谢谢您的观看！
第40页/共40页
发送信号的功率可以表示为
第11页/共40页
MIMO的基本原理 MIMO系统的信道用一个nR×nT的复数矩阵H描述，其中hij 表示 从第i个发送天线到第j个接收天线的信道衰落系数。
第12页/共40页
MIMO的基本原理 接收信号和噪声可以分别用两个nR×1的列向量y和n表示。n均 值为0，功率为σ2 。通过这样一个线性模型，接收信号可以表示为
第25页/共40页
STBC编码 以双天线为例，又称为Alamouti STBC编码器，其结构如下图所示。
第26页/共40页
STBC编码 信源发出的二进制比特信息首先进行数字调制，调制为M=2m进制的符 号。然后Alamouti STBC编码器选取连续的两个符号，根据下式映射为发送 信号矩阵。
第27页/共40页
一、MIMO技术简介 二、基本原理 三、空时编码 四、应用及展望
第9页/共40页
MIMO的基本原理
MIMO信道是在收发两端使用多个天线，每个 收发天线之间形成一个MIMO子信道，假定发送端 存在nR个发送天线，接收端有nT个接收天线，系统 框图如图所示：
第10页/共40页
MIMO的基本原理 在系统的每一个符号周期内，发送信号可以用一个nT×1 的列向量x =[x1 x2 ⋅⋅⋅xi ⋅⋅⋅xnT ]T表示，其中xi表示在第i 个天线上发送的数据。发送 信号的协方差可以表示为
第5页/共40页
MIMO的发展历史
至2010年年底，IEEE数据库收录 该领域的研究论文已达上万篇，从 MIMO无线通信技术的理论研究到实验 验证，再到商用化的各个方面。目前， 国际上很多科研院校与商业机构都争 相对MIMO通信技术进行深入研究。
第6页/共40页
MIMO的技术特点
采用空时处理技术进行信号处理，在 不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统 的容量和频谱利用率 ，使得系统能在有限 的无线频带下传输更高速率的数据业务。
第2页/共40页
MISO系统
SIMO系统
第来抗 衰落。在70年代有人提出将多入多出技 术用于通信系统，但是对无线移动通信 系统多入多出技术产生巨大推动的奠基 工作则是由AT&TBell实验室学者完成的。
第4页/共40页
MIMO的发展历史
接收端取得的总信噪比为nRς，此时等效的单天线系统与原来纯粹的 单天线系统相比，获得了nR 倍的分集增益，信道容量表示为
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MIMO的基本原理
（2）正交传输信道的MIMO系统
对于正交传输的MIMO系统，即多根天线构成的并行子信道相互正交， 单个子信道之间不存在相互干扰。为方便起见，假定收发两端的天线数相 等（nR ＝ nT ＝ L），信道矩阵可以表示为：
假设接收机采用单天线接收。天线1和2所发送的信号所经历的信道 响应系数分别为
第29页/共40页
STBC编码 在接收端，相邻两个符号周期接收到的信号可以表示为
其中，n1和n2 表示第一个符号和第二个符号所受到的加性白高斯 噪声的干扰。
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STBC译码
在接收端 采用最大似然 译码器进行译 码，其结构如 图：
第22页/共40页
一、MIMO技术简介 二、基本原理 三、空时编码 四、应用及展望
第23页/共40页
空时编码
空时块编码（STBC）
具有良好的分集增益 。
空时格码（STTC）
不仅具有优良的分集增益，还具有良好的编码增益 。
分层空时码（LST）
可获得较高的复用增益。
第24页/共40页
STBC编码
空时块编码（STBC）能使MIMO系 统获得良好的分集增益，其本质是将信 号经过正交编码后由多根天线发送，由 于经过正交编码后的信号相互独立，所 以在接收端可以很容易的将信号区别开 来。在接收端只需进行简单的线性合并 即可获得发送信号。
I L为L×L的单位矩阵
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信道容量为：
MIMO的基本原理
与原来的单天线系统相比，信道容量获得了L倍的增益，这是由于 各个天线的子信道之间的耦合的结果。
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MIMO的基本原理 如果信道系数的幅度随机变化，MIMO信道的容量为一随机变量，它的 平均值可以表示为
式中，r 为信道矩阵H得秩， r = min(nR , nT ) 下图是MIMO信道容量累计概率分布曲线图，它反映了信道容量累计 分布与发射和接收天线数得变换关系。
一、MIMO技术简介 二、基本原理 三、空时编码 四、应用及展望
第37页/共40页
MIMO技术的应用
在3GPP(第三代协作伙伴项目)的高速下行链路分组接入方案（High Speed Downlink Packet Access, HSDPA)中提出了使用MIMO天线系统, 这 种系统在发送和接收方都有多副天线,可以认为是双天线分集的进一步扩展。
上式可进一步简化为
第34页/共40页
STBC译码 由此可知，给定信道的冲激响应，则两个判决统计量分别为各自发送信 号的函数。则最大似然准则可分解为独立的两个准则，即
第35页/共40页
STBC译码
当采用MPSK调制时，对于所有的信号点
化为
，i=1, 2 是常量，因此，最大似然判决准则可以进一步简
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MIMO的基本原理
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MIMO的基本原理
目前MIMO技术领域的研究热点之一是空 时编码，空时编码技术真正实现了空分多 址。空时码利用空间和时间上的编码实现 一定的空间分集和时间分集，从而降低信 道误码率。总之MIMO技术有效利用了随 机衰落和多径传播力量，在同样的带宽条 件下为无线通信的性能带来改善。
一、MIMO技术简介 二、基本原理 三、空时编码 四、应用及展望
第1页/共40页
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)即是多输入多输出技术，是指在 发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收 端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量（误比特率或数据 速率）。
（1）全“1”信道矩阵的 MIMO系统
如果接收端采用相干检测合并技术，那么经过处理后的每根天线上的 信号应同频同相，这时可以认为来自nT 发射天线上的信号都相同， si = s, i = 1, 2, …, nT ，第j 根天线接收到的信号可表示为rj = nT si = nT s, j =1, 2, …, nR ，且该天线的功率可表示为
1995年Teladar给出了在衰落情况下 的MIMO容量；1996年Foshinia给出了一 种多入多出处理算法——对角-贝尔实验 室分层空时(D-BLAST)算法；1998年 Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码； 1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实 验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个 MIMO实验系统，在室内试验中达到了 20bit/s/Hz以上的频谱利用率。
技术概念简单，任何一个无线通信系 统，只要其发射端和接收端均采用了多个 天线或者天线阵列，就构成了一个无线 MIMO 系统。
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MIMO的技术特点
MIMO 技术在室内传播环境下的 频谱效率可以达到20 ~ 40bit/s/Hz 传统无线通信技术在移动蜂窝中 的频谱效率仅为1~5 bit/s/Hz 点到点的固定微波系统中也只有 10 ~ 12 bit/s/Hz
STBC编码 天线1发送信号矩阵X的第一行，天线2发送信号矩阵的第二行。 Alamouti STBC是在时域和空域上进行编码。令天线1和天线2的发送信号矢 量分别为
可以明显地看出两根天线发送的信号矢量是相互正交的，即
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相应地，编码矩阵的特征如下式所示：
STBC编码
其中，I2是2×2的单位矩阵。
15浅谈mimo技术mimo的基本原理1全1信道矩阵的mimo系统如果接收端采用相干检测合并技术那么经过处理后的每根天线上的信号应同频同相这时可以认为来自n根天线接收到的信号可表示为r天线的功率可表示为16浅谈mimo技术mimo的基本原理则在每根接收天线上取得的等效信噪比为此时的多天线系统等效为某种单天线系统但这种单天线系统相对于原来纯粹的单天线系统取得了n17浅谈mimo技术mimo的基本原理如果接收端采用非相干检测合并技术由于经过处理后的每根天线上的信号不尽相同在每根接收天线上取得的信噪比仍然为接收端取得的总信噪比为n?此时等效的单天线系统与原来纯粹的单天线系统相比获得了n倍的分集增益信道容量表示为18浅谈mimo技术mimo的基本原理2正交传输信道的mimo系统对于正交传输的mimo系统即多根天线构成的并行子信道相互正交单个子信道之间不存在相互干扰
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STBC译码
假设在接收端可以获得理想的信道估计，且每个信号落到信号星
座图上的概率是等概的，则最大似然译码算法要求在信号星座图上选
择一对信号
来最小化与接收信号之间的欧氏距离，即
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STBC译码 将
代入可得最大似然译码准则为
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STBC译码 其中，C表示调制符号对的组合 。 是判决统计量，表示为
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MIMO的基本原理
则在每根接收天线上取得的等效信噪比为nTς，因此在接收端取得的总 信噪比为nTnRς。此时的多天线系统等效为某种单天线系统，但这种单天 线系统相对于原来纯粹的单天线系统，取得了nT nR 的分集增益，信道容 量可以表示为
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MIMO的基本原理 如果接收端采用非相干检测合并技术，由于经过处理后的每根天线 上的信号不尽相同，在每根接收天线上取得的信噪比仍然为
接收信号的功率可表示为
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MIMO的基本原理 对于分别配有nT 根发射天线和nR 根接收天线的MIMO信道，发射端在 不知道传输信道的状态信息条件下，如果信道的幅度固定，则信道容量可 以表示为
式中的min为nT 和nR 的最小数，ς为信噪比，矩阵Q的定义如下：
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MIMO的基本原理
MIMO技术已经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中。
第38页/共40页
MIMO的前景展望
四大技术难点即研究热点：
信道建模和信道容量 MIMO系统的信号设计和信号处理 与传播相关的研究方向 MIMO在未来网络中的应用
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谢谢您的观看！
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发送信号的功率可以表示为
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MIMO的基本原理 MIMO系统的信道用一个nR×nT的复数矩阵H描述，其中hij 表示 从第i个发送天线到第j个接收天线的信道衰落系数。
第12页/共40页
MIMO的基本原理 接收信号和噪声可以分别用两个nR×1的列向量y和n表示。n均 值为0，功率为σ2 。通过这样一个线性模型，接收信号可以表示为
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STBC编码 以双天线为例，又称为Alamouti STBC编码器，其结构如下图所示。
第26页/共40页
STBC编码 信源发出的二进制比特信息首先进行数字调制，调制为M=2m进制的符 号。然后Alamouti STBC编码器选取连续的两个符号，根据下式映射为发送 信号矩阵。
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