第2章 无线信道与MIMO信道
MIMO-OFDM无线信道与系统
第一章无线信道1.1 概述无线信道系统主要借助无线电波在空中或水中的媒介传播来实现无线通信，其性能主要受到移动无线信道的制约和影响。
与有线通信不同，无线通信系统的发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的室内传播到几千米或几十千米的视距（LOS）传播，会遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等障碍物的非视距（NLOS）传播。
由于无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有很大的随机性，甚至移动台的速度都会对信号电平的衰减产生影响，以上因素都造成无线信道非常难以分析。
仔细分析无线信道的传输特点，是提高无线传输效率和质量的前提，一般用统计方法来分析和建模无线信道。
1.2信号传播方式在无线环境下进行通信，信号可能要经过许多的障碍物，如大楼、街道、树木以及移动的汽车等。
信号的传播途径大致可分为4种：（1）直线传播在较广阔的地区，如郊区或农村。
然而在城市环境中，直线传播很少见。
（2）反射信号往往经过大的建筑物、平坦的地面和高山反射。
反射是信号传播的一种重要途径。
（3）折射信号经过障碍物的边界时，经折射绕过障碍物而到达目的地，信号经折射后衰减很大。
因此，在无线信道模型中，一般忽略这种传播途径。
（4）散射当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分成了许多个随机方向的信号。
散射在城市通信中为最重要的一种传播方式。
信号经散射后很难预测，因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。
在实际环境中，信号利用障碍物的反射、散射或直线传播等，经多条路径到达接收端，即多径传播，从而形成了多径传播。
1.3移动无线信道的衰落特性移动无线信道是一种时变多径信道。
无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损害，这些来自不同途径的衰减损害对通信系统的性能带来极大的影响。
这些算还可以归纳为三类。
接收信号的功率可用公式（2-1）表示为：()()()n P d d S d R d -=⋅⋅ 式中，d 表示移动台到基站的距离。
浅谈mimo技术PPT课件
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：
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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
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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。
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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。
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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。
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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：
mimo技术原理
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。
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
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
S/P
编 码 器 编 码 器
…… ……
调 制 器 调 制 器
空 间 交 织
交 织 器 xt1
x 交 织 器
nT t
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
1.MIMO技术原理
空
数
射
数据 时
模
频
编
转
前
码
换
端
s
h 11 h1 2
h 1 nT
h n R nT
射
模
空
频
数
时 数据
前
转
解
端
换
码
H
r
s1(t)
s(t)=
s
2
(
t
)
s n T ( t )
h11(t,)h12(t,) H(t,)h21(t,)h22(t,)
hh21nnT T((tt,,))
陈列操纵矢量（陈列机构和去波角的函数）
a ( ,) [ 1 a 1 , a n R , ] T
第m个分量为
3. MIMO的信道模型
MIMO技术杂谈(二)：犹抱琵琶半遮面--MIMO信道中隐藏的秘密
MIMO技术杂谈（二）：犹抱琵琶半遮面--MIMO信道中隐藏的秘密犹抱琵琶半遮面--MIMO信道中隐藏的秘密无线通信中，最让人难以捉摸的，就是那看不见，摸不着的无线信道了。
但是，正因为它的变化莫测，才让无线通信具有了独特的魅力。
正如Tse在他的大作《无线通信基础》（Fundamentalof Wireless Communication）中说的：衰落和干扰，让无线通信的研究变得有趣。
然而衰落本身来无影，去无踪，研究中，我们也只能通过概率统计的方法，才能捕获它扑朔的身影。
无线信道根据其自身特点和研究需要，可以建模成多种模型。
其中最经典的，江湖人称“独立同分布模型（independentlyand identically distribute，简称i.i.d）”。
比如在介绍一个传播环境时，我们说“……在一个4x1的MISO系统中，假设每条路径的传输成功率都是1/2……”描述的就是这种模型。
其中“独立”和“同分布”俩个名词都源自概率论。
“独立”是说每条路径的传输成功与否，相互之间并不影响；而“同分布”表示概率分布相同，即成功率都是1/2。
我们已经知道，对付这种信道最有效的方法之一就是分集，获得的分集增益越多，传输的可靠性就越高。
但是，分集技术的应用并没有让江湖太平多久，“衰落相关性”的出现，又在江湖上掀起了一阵波澜。
为了更好的理解相关性的概念，我们先来看一个例子。
比方说我们有一车货物要从A地运到B地，有3条路可以选择，分别经过城市X，Y，Z。
但X市和Y市的地理位置非常接近。
在出发前我们听到天气预报说X市会有大雨，那我们一定会选择绕道走Z市，而不选择Y市。
为什么？答案很简单，X与Y市离得那么近，若X市大雨，Y市天气也好不到哪去，这种天气间相互影响的现象就说明X市与Y市的天气具有相关性。
所以用一句话概括相关性，就是“他好，我也好”。
原来我们有3条路可选，但因为X与Y市天气条件近似，实则只有两条路线可选，其中一条神秘的“消失”了，这种现象对MIMO系统会产生什么样的影响呢？在MIMO系统中，“衰落相关性”扮演者同样的角色。
浅谈MIMO无线信道中空间相关性
引言MIMO 表示多输入多输出。
读/maimo/或/mimo/，通常美国人前者，英国人读后者，国际上研究这一领域的专家较多的都读读/maimo/。
通常用于IEEE 802.11n，但也可以用于其他802.11 技术。
MIMO 有时被称作空间多样，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。
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。
测量原理利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。
前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。
实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML 算法。
ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。
ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。
性能和复杂度最优的就是BLAST算法。
该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。
目前MIMO 技术领域另一个研究热点就是空时编码。
常见的空时码有空时块码、空时格码。
空时码的主要思想是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。
MIMO-OFDM系统中信道估计解析
题目：MIMO-OFDM系统中信道估计及信号检测算法的研究独创性（或创新性）声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人签名：关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。
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（保密的学位论文在解密后遵守此规定）本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。
本人签名：夺^摘要MIMO-OFDM系统中信道估计及信号检测算法的研究输入多输出（MIMO)和正交频分复用（OFDM)是LTE的两大核心技术。
多输入多输出（MIMO)技术利用各种分集技术带来的分集增益可以提高系统的信道容量、数据的传输速率以及系统的频谱利用率，这些都是在不增加系统带宽和发射功率的情况下取得的；正交频分复用（OFDM)技术是多载波调制技术的一种，其物理信道是由若干个并行的正交子信道组成，因此可有效地对抗频率选择性衰落，同时通过插入循环前缀（CP)可以有效消除由多径而引起的符号间干扰(ISI)。
由于多输入多输出（MIMO)在提高系统容量和正交频分复用（OFDM)在对抗多径衰落方面的优势，基于两者结合的MIMO-OFDM系统已经引起了广泛的关注。
信道估计算法和信号检测算法是MIMO-OFDM系统的关键技术。
其中信道估计算法对MIMO-OFDM系统接收端的相干解调和空时检测起着至关重要的作用，信道估计的准确性将影响系统的整体性能。
无线移动信道及MIMO系统信道模型
［ 关键词 ］ ＭＯ 衰落信 道 分集枝 术 ＭＩ
１引 言 ．
ＭＩ ＭＯ系统 的信道是无线信道 ， 其信道 环境十分恶 劣 ， 因而研究 其 信道特征对于研究 ＭＩ ＭＯ系统有至关重要的意义。在无线通 信系统中 ， 由基站发射机到移动 台之间 的无线 链路称为前 向链路或下行 链路 ， 由 移动 台到基站接收机的无线链路称 为反 向链路或 上行链路 。无线 电信 号在上行链路和下行链 路中都会受到无线移动信道 的影响。 ２无 线 移动 信 道 的信 道 特 征 ． 无线通信信号的传播模型 从统计 特性上 可分为大尺度（ ｒｅｓａ ） Ｌ ｇ—ｅｌ ａ ｅ 传播模型和小尺度（ｍａ— ｃｌ传播模 型。大尺度传播模型描述 的是发 Ｓ ｌ ｓ ｅ ｌ ａ） 射一接收距离很大（ 数百或数千米） 的信号强度 变化 ， 时 常用来估计某 个 发射机的无线覆盖范同。小尺度传播模 型主要描述非 常短 的距离（ 几个 波长） 非常短的时间间隔（ 或 秒级） 内接收信号强度 的迅速变 化。大尺度 传播模型常简称路径损 失模型 ， 尺度传播模 型简称衰落模 型。 小 大尺度 传播模型主要预测无线 覆盖范同。而小尺度传播模 型主要描述 由于无 线信号的多径传播 或者通信双方相对移动 ，接收机 收到的信号幅度将 有剧烈起伏的现象。 ３改 善 衰落 信 道 性 能 的方 法 ． 在实际的无线移动通信系统巾 ，必须采用某些 方法来克服这些不 利因素的影响 ， 改善信 道质量 ， 从而达到改善通信质 量的 目的。通常我 们采用的技术有均衡 、 信道 编码 和分集等等 。 其中均衡 主要用 于补偿信 道中 由于多径传 播造成 的符号 间干扰 。 当传输的调制信号 的带 宽超过 了无线信道 的相关带宽 时 ，就会产生符 号间干扰 ， 同时造成 调制信 号的带宽展宽 。通过均衡技 术 ， 可以对信道 的幅度和时延进行 补偿 ， 而消除符号 问干扰 。 从 另 一 种 技术 是 信 道 编码 ，即 通 过 在 发 送 的信 息 中通 过 某 种 算 法 增 加额外 的冗余符 号 ， 以牺牲 信道的效率 为代价 ， 改善信 道的性 能 ， 从而 提高信道 的可靠性 。 在发射端 ， 经过编码器实现的某种信道编码算法将 输入的原始信息数据流影射为一个添加 了更多冗余符号的编码数据流； 在接收端 ， 经过译码器 内实现 的相应 的译码算法 ， 利用冗余 的符 号纠正 编码数据 流在信道传输过程 中形 成的部分或全部误符号 。通过 这种方 法， 可以在牺牲频带利用率 的条件下换取信道 可靠性的提升 。 为了对抗信道造成 的衰落 ， 我们通常采用分集 的方法 。 采用分集技 术 可以有效地改善链路的质量 ， 同时提高通信的可靠性和有效性 。 分集 的基本思 想是： 如果接收端得到多个独立 的发送 信号 的样 本 ， 这些样本 的衰落又是不相关 的 ， 这些样本 就会有 的衰 落严重 ， 的衰落较轻 ， 有 也 就是说 ， 这些样本同时严重衰落到无法检测的概 率是大大降低了。 通过 对这些样本进行合理地组合 ， 以大大地 降低衰 落带来的不利 因素 ， 可 从 而提供传输 的可靠性。目前常用的分集包括时间分集 、 频率 分集 和空间 分集… 。 ３１ 间 分 集 ．时 通过在不同的时隙发送相 同的消息 ，而这 些时隙的信号衰落 又互 不相关 ， 则可以获得 时间分集 。 非相关 时隙的最小 间隔是信道 的相干时 间 ， 相 干 时 间 是信 道 衰落 保 持 相 关 的 时 问 段 的统 计 值 ， 与 信 道 的最 而 它 大多普勒频移成倒数关 系。 在数字通信领域 ， 差错控制编码与非编码系 统相 比可获得编码增益 ， 移动通信 中， 在 我们是用差错 控制编码和交织 相结合来获得时间分集 ， 中差错 控制编码是用来 获得 时域冗余的 ， 其 而 交织技术是用来保证接 收端得 到不相关 的发送信号 副本。 由于交织会 引入解码 时延， 因此它 只适合 于快 衰落信道 ， 这样 由于相十时间较短交 织 引 入 的解 码 时 延 相 对 较 小 。 ３ ． ２频率分集 在频率分集 中， 同的消息通过不 同的频率传送到接 收端 ， 相 如果这 些不同的频率间隔大于信道的相 十带 宽 ， 就会经历独立 的衰落 ， 从而获 得频率分集 。 信道的相干带宽是信道衰落保持相关的频率间隔 ， 与信 它 道最大时延弥散成倒数关系 。在移动通 信系统 中， 直接序列扩频 、 多载 波调制和跳频技术 ， 都是应用频率分集的例子。 ３３空 间 分 集 ＿ 空间分集又叫天线分集 ，利于在发射端 和接收端放置在空 间上分 开一定距离的多个发射或接收天线 ， 产生多个 独立的衰落信道。 一般距
《MIMO及信道模型》课件
MIMO技术的应用场景
MIMO技术广泛应用于无线通信系统，如4G、5G移 动通信系统、无线局域网（WLAN）、无线个人域网
（WPAN）等。
输标02入题
在4G和5G移动通信系统中，MIMO技术被用于提高 小区的覆盖范围和边缘用户的传输速率，同时也可以 提高系统的整体吞吐量。
01
03
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MIMO技术利用了无线信道的散射和 反射特性，通过空间复用和分集增益 ，提高了无线通信系统的传输速率和 可靠性。
MIMO技术的原理
MIMO技术的基本原理是利用多天线之间的独立性，将数据流分解成多个并行子流，在多个子流上同时传输，从而提高了传 输速率。
在接收端，多个天线接收到的信号经过处理后，可以恢复出原始的数据流。MIMO技术通过信号处理算法实现信号的分离和 合并，从而提高了信号的抗干扰能力和传输可靠性。
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天线选择
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最大信噪比 (Max-SNR): 选择能提供最大信噪比的发射天 线。
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轮询 (Round Robin): 轮流使用每个天线进行传输，确保 均衡使用。
05
CHAPTER
MIMO系统实现难点及挑战
信号处理复杂度
MIMO信号检测算法复杂度
考虑了信号在传播过程中因反射、折射和散射产生的多径 效应，适用于室内和室外非视距（NLoS）环境。
MIMO信道模型的特点
高数据速率
通过在发射端和接收端使用多个天线，提高 了数据传输速率。
抗干扰能力强
通过分集技术，降低了信号被干扰的风险。
频谱效率高
通过空间复用技术，提高了频谱利用率。
MIMO是什么-MIMO的分类及信道的秘密
MIMO是什么?MIMO的分类及信道的秘密
01
—
MIMO是什么
在这个万物互联的时代，手机作为我们和外界联系的窗口，似乎已经成为了我们身体的一部分。
而手机是无法自己上网的，和手机进行通信的通信网络，已经变得跟水和电一样。
畅快上网的时候，感觉不到这些幕后英雄的重要，一旦离开就感觉跟活不下去了一样。
按流量收费的时代，曾几何时，1M流量收费一块，普通人一个月也就几百M，用一点少一点，哪敢无时无刻刷抖音啊。
因此，看到wifi，就有了安全感。
我们来看看无线路由器长什么样子。
好家伙，8根天线，都快成蜘蛛了。
看起来很牛逼的样子。
实际呢，信号能多穿两堵墙？还是网速能倍增？
这些效果还真都可以达到。
效果当然是通过这么多天线来实现的，这就是大名鼎鼎的MIMO技术。
MIMO，说人话就叫：多输入多输出（Multi Input Multi Output）。
可这听起来还是不够像人话。
我们这样想一下，如果通过网线上网的话，连接电脑和网络的就是一根实际的线缆。
现在我们通过天线把信号在空气中用电磁波来传送，空气就起到跟网线一样的作用，都是传输信号的通道，叫做无线信道。
那么咋样能让网速更快呢？
显然，多来几根天线，多几根虚拟的网线一起收发数据，就能解决问题。
这个多输入多输出，就是针对这个无线信道来说的。
无线路由器如此，在那高高的铁塔上，4G基站和你的手机也在做着同样的事情——为了。
移动通信第2章无线移动信道
②长区间中心值随距离基站的位置变化
而变化，距离越远，衰减越大，也称为 传输损耗。
2.1.2 与无线移动信道相关的基本概念
1．信号强度的表示方法
（1）dBW和dBm
dBW和dBm都是表征功率绝对值的 值，也可以认为以1W和1mW功率为基 准的一个比值。
计算公式为 P(dBm)＝10log[P(mW)/(1mW)]（2-1）
P(dBW)＝10log[P(W)/(1W)] （2-2）
（2）分贝
分贝（dB）定义为两个参数（如功 率、电压、电流）之比的对数单位，用 来表征两个物理量的相对大小关系。
（3）dBmV和dBV
dBmV和dBV都是表征电压绝对值 的值，也可以认为以1mV和1V电压为 基准的一个比值。
计算公式为 U（dBmV）＝20log[U（mV）/（1mV）]（2-3） U（dBV）＝20log[U（V）/（1V）]（2-4）
dBi和dBd是表示天线增益的值（功率 增益），两者都是一个相对值。
通常用于表示同一个天线增益时，用 dBi表示出来的数值比用dBd表示出来的数 值要大2.15dB，即0dBd=2.15dBi。
3．等效全向辐射功率
等效全向辐射功率（EIRP）定义为 供给天线的功率和在给定的方向上相对 于无方向天线的增益的乘积，表示发射 机获得的在最大天线增益方向上的最大 发射功率。
载频
第 第12对对边边频频 （2-10）
第3对边频
Jn()cos(0 n)t Jn()cos(0 n)t
第n对边频
式中，J n ( ) 是n和的函数，称为
的第一类n阶贝塞尔函数，其值可查表或
查曲线得到。
由式（2-10）可见，调频波具有无 限多对边频分量，用频谱表示出来，如 图2-3所示。
无线信道
第六章無線通道模型概論6.1 概論：各類訊號從發射端送出之後，在到達接收端之前所經過的所有路徑，我們統稱為通道。
通道對傳送訊號所產生的影響，是各類通訊系統接收機設計的一個關鍵考量。
其中，如果傳送的是無線電訊號，電磁波傳播所經過的路徑，我們特別稱為無線通道。
無線通道可能是很簡單的直線(目視)傳播(Line of Sight, LOS)，也可能會被許多不同的因素所干擾，例如訊號經過建築物、山丘、或者樹葉反射所產生的多重路徑效應(Multipath Effect)，多重路徑效應會造成訊號放大或衰減，最大和最小可以相差30到40 dB；此外，傳送端和接收端的相對運動，會使訊號產生都普勒效應(Doppler Effect)，都普勒效應會使通道的特性隨著時間而改變，增加了訊號品質的不確定性。
對無線通訊系統而言，因為傳播路徑的多樣性與時變性，無線通道的特性便在接收機的設計中，扮演著關鍵的角色。
在無線通訊系統中，無線通道通常是利用通道的統計特性來分析與模擬，各類文獻已經提出相當多的通道模型，一般而言，整個無線通道對訊號所產生的影響，共可分為以下三大部分，它們在一個無線通道中是同時存在的：1.傳播路徑損耗模型(Propagation Path Loss Model)：一般而言，接收訊號的功率或是傳播路徑的損耗，可以視為一個隨機變數，而傳播路徑損耗模型是用來描述接收訊號的平均功率或是傳播路徑的平均損耗，平均功率會隨著傳播距離的增加而減少，而傳播路徑的損耗會隨著距離的增加而增加，因此，這個隨機變數是一個距離的函數，而隨著距離的不同，會有不同的平均值或中間值；2.大尺度傳播模型(Large Scale Propagation Model)：這個模型是用巨觀的角度，來描述訊號在經過較長的距離(或時間)所產生的變化，而此變化是用統計的方式來描述；此模型之中，通常是給定一特定的傳收(Transmitter-Receiver，T-R)距離，然後把接收訊號的強度，當成是一個隨機變數，這個模型通常可以用來估測無線電波的覆蓋區域；3.小尺度傳播模型(Small Scale Propagation Model)：這個模型是用微觀的角度，來描述在很短的距離(或時間)之內，接收訊號功率所呈現快速的變動。
mimo基础知识讲解
1. 无线信道的特点和MIMO信道的容量－先农定理
由此得到不计带宽代价下实现正确数据传输的信噪比下限：
带宽归一化，W --1, 以星座映射后的复数域来看：
带宽归一化，W --1, 从实数和复数两维来看： W --1/2
1. 无线信道的特点和MIMO信道的容量－先农定理
如果有一天，数学给予今天的“随机分枝”以“确定性模 型”，世界的宗教分枝统一于“数学”，数学在广义上 也是宗教，始作俑者打了个标签“唯物”，成了“科 学”。
1. 无线信道的特点和MIMO信道的容量
1.1.3 无线信道的主要特点和数学模型 信道函数： 信道函数中的相位函数：
多径时延扩展-----频率选择性衰落-----相干带宽：多径 Doppler扩展-----时间选择性衰落-----相干时间： 移动 角度扩展-----空间选择性衰落-----相干距离： 位置角度
由此从容量上限得到效率上限：
1. 无线信道的特点和MIMO信道的容量－先农定理
平均信号功率的计算： k: 每符号的bit数；Eb:每bit能量；T：一个符号持续的时间 R=k/T:传码率；t能量；T：一个符号持续的时间 噪声功率： 由此效率上限写成： 在一定的传输速率下，有限的带宽下，一定的白噪声下： 一定，实现无误码传输的每bit能量下限（香农届）：
1. 无线信道的特点和MIMO信道的容量
多种标准面临的共性问题：高速，低误码，移动中的通信质量，便 携性，网络的连通性，其它用户的干扰。( 这些问题有些是共性 的，有些是移动通信所特有的，移动通信发展到如今的历史方位 上，可靠的高数据速率是主流要求，速率，带宽，低功耗；对抗 无线，移动，时变，主要矛盾的载体是无线信道)
无线信道的特点和mimo信道的容量113无线信道的主要特点和数学模型对于时不变信道的主要干扰包括加性干扰和乘性干扰加性的高斯白噪声是通信系统不可避免的所以通常所说的理想信道实际上是包含高斯噪声的信道而乘性干扰是无线信道的主要特点和技术瓶颈信道估计均衡都是对乘性干扰的技术和矫正当然对于多径特点在数学上既可以归并为加性也可以归并到乘性不能拘泥于一种来谈但是需要明确的是只有高斯噪声的信道是视为理想信道来研究的无线通信的核心是对信道传输函数中除高斯外的非理想因素进行矫正改进
MIMO技术概述
迫零波束成型实际上是先进行用户调度然后再进行功率分配，最优功 率分配则可以使用功率注水使容量最大化
MIMO-OFDM
OFDM是一种多载波传输技术，通过串并转换把高速串行数据分散到N个相互 正交的子载波上进行传输，各个子载波的符号速率减为高速数据符号速率的 N分之一，子载波的符号持续时间可以增大为串行数据符号的N倍，时延扩展 与符号周期的比值也降低为原来的N分之一。通过在OFDM符号之间插入持续 时间大于信道最大传输延迟时间的循环前缀CP(Cyclic Prefix)，就可以有效的 消除符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)
分层空时结构
V-BLAST接收机结构：
简单接收机结构： 匹配滤波器：利用接收天线阵列对数据流的接受空间进行波束成形， 在低信噪比时的性能接近于容量 解相关器：将接收信号投影到与其他所有数据流的接收信号特征图相 互正交的子空间上。 MMSE：实现不活感兴趣的数据流能量与消除数据间干扰的最优折中 的线性接收机，在低信噪比时和高信噪比时均接近最优性能 串行消除：利用译码运算后的结构对数据流进行顺序译码，从而消除 译码数据流对接收信号的影响
MIMO-OFDM
系统框图
MIMO-OFDM
系统框图
最新进展
MIMO技术是第三代和未来移动通信系统实现高数据速率、 大系统容量，提高传输质量的重要途径。
其中，基于分立式多天线的MIMO技术中的分层空时结构 和空时分组码都成为近年来移动通信领域的研究热点。 空时分组码译码的低复杂度使其成为最广泛应用的一种空 时编码，3GPP就以其作为发送分集的一种方式。 分层空时结构可以获得极高的数据速率，是未来移动通信 系统中为了获得大系统容量而极有可能采用的方案之一， 3GPP标准已将其作为MIMO技术中的一个重要提案
无线信道与MIMO信道
L
ห้องสมุดไป่ตู้
设发射信号为 s t ，则接收到的信号是经多径传播后的总和
y t ai s t i ,
i 1
L
1 2 3
y(t )
L
假设
s (t )
时延扩展
t t
8
s (t )
V0 V0
迟延t0 迟延t0＋τ
y(t )
＋
y(t ) V0 s(t t0 ) V0 s(t t0 )
Clarke/Gans模型框图
19
Clarke/Gans时变信道模型
20
3. HIPERLAN/2多径信道模型（参考）
M 1 L j ( 2f k ,l t k ,l ) h( , t ) k e ( k ) M k 1 l 1
f k ,l f d ,max sin(2uk ,l )
Y () V0 S ()e jt0 V0 S ()e j (t0 ) H () V0e
jt0
(1 e
j
) 2V0 e
H ()
jt 0
e
j
2
cos
2
H ( ) 2V0 cos
2
2 V0
0
2
3
4
p ( x)
x
x
2
e
x2 2 2
x0
视距通信
x 2 A2 p( x) 2 exp 2 2
J Ax
0 2
x0
16
2.3 常用多径信道计算机仿真模型
MIMO信道的信道容量
进行讨论。对于静态信道，如果发送端不知道信道状态或者信道的平均互信息， 那么它也无法确定该以什么样的速率发送方能保证数据的正确接收。 此时最适合 的容量定义为中断容量。 发送端以固定速率 R 来发送， 中断率表示接收端不能正 确接收的概率，也即信道 H 的互信息小于 R 的概率，其值为
out p ( H : B log 2 det[ I M
1 引言
信道容量的计算是研究噪声信道的主要关注点之一。信道容量的定义是以任 意小的差错率传输信息的最大速率，它建立了可靠通信的基本极限。因此，信道 容量广泛应用于衡量通信系统的性能。本文的主要目标是研究与 MIMO 无线信 道有关的信道容量。 MIMO 信道的香农容量是能够以任意小的差错率传输的最大数据率。中断容 量则定义为能使中断率不超过某个数值的最大数据率。 信道容量的大小和收发两 端是否已知信道增益矩阵或其分布有关。 下文先给出不同信道信息假设下静态信 道的容量，它是其后讨论的衰落信道容量的基础。
列数，所以 RH min( M t , M r ) 。满秩的情况称为富散射环境，此时 RH min( M t , M r ) 。 其他情况可能是低秩的， 若某个信道中的 H 的元素高度相关， 其秩可能会降为 1。 用发送与编码和接受成形对信道的输入输出 x 和 y 分别进行变换，就可以实现
后作为天线的输入， 矩阵的并行分解。 发送预编码将输入向量 x 经线性变换 x Vx
发送预编码将输入向量x经线性变换xvx??后作为天线的输入接收成形将信道的输出y乘以hu如图2图2发送预编码与接收成形发送预编码和接收成形将mimo信道变换成hr个并行的单入单出siso信道其输入为x?输出为y?
MIMO 信道的信道容量
摘要
由于 MIMO 可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损（transmit power expenditure）的情况下大幅地增加系统的资料吞吐量（throughput）及传送距离， 使得此技术于近几年受到许多瞩目。MIMO 的核心概念为利用多根发射天线与 多根接收天线所提供之空间自由度来有效提升无线通信系统之频谱效率， 以提升 传输速率并改善通信品质。研究 MIMO 信道的容量是对 MIMO 进行深入分析的 基础，本文分析了 MIMO 信道的容量计算方法，分别介绍了在静态信道中的注 水法、平均功率分配法信道容量，以及衰落信道中遍历容量和中断容量。 关键词：MIMO，信道容量，注水法，平均功率分配，遍h )
MIMO技术与天线选择 ppt课件
5、利用大尺度衰落作为惯性权重w，改良粒子群算法的速度更新公式 ，v=w*v+c1*rand()*(pbest-present)+c2*rand()*(gbest-present)，可大 大加快收敛速度并减小复杂度，获得近优性能.
ppt课件
15
第三部分 MIMO中的天线选择
第三章 天线选择技术
第一节 天线选择的引入 第二节 天线选择技术 第三节 天线选择算法
ppt课件
16
16
由于MIMO系统的发射机和接收机同时使用所有的天线 发射或接收，这就要求收、发端使用与天线一样多的 射频链路（如低噪声放大器、模/数转器、混频器等 ）由于多径衰落，一些天线发送和收到的信号可能不 是最佳信号，就会降价MIMO系统的整体性能。考虑到 与射频部分相比，天线振子成本很低，如果收、发端 的天线数目比MIMO系统的射频链路多，MIMO系统可以 从中自动选择与收、发端射频链路数目相匹配的最佳 收、发天线，使MIMO系统的每一路射频链路都工作在 最佳状态，自然就能获得最大MIMO系统容量，降低了 射频链路数目，减少了系统的成本。随之而来的问题 就是如何选择发射天线和接收天线的最佳接收。
由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影 响，因此在一定的信干噪比(SINR)条件下可以降 低误码率，或者在一定的误码率下可以降低检测 所需的信干噪比。
MIMO系统能够抑制或有效消除共道干扰以及码间 干扰，同时利用分集技术提高接收信号的信干噪 比，因此基站和移动终端的发送功率可以得到一 定程度的降低，同时减小空间电磁干扰的影响、 延长移动终端电池使用时、减小对生态环境的影 响、降低系统对功率控制精度和器件的要求。
MIMO无线通信技术
1、引言随着无线互联网多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性亟待提升，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。
采用常规发射分集、接收分集或智能天线技术已不足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。
可幸的是，结合空时处理的多天线技术——多入多出(MIMO)通信技术，提供了解决该问题的新途径。
它在无线链路两端均采用多天线，分别同时接收与发射，能够充分开发空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。
然而，与常规单天线收发通信系统相比，MIMO 通信系统中多天线的应用面临大量亟待研究的问题。
2、MIMO无线通信技术2.1传统单天线系统向多天线系统演进传统无线通信系统采用一副发射天线和一副接收天线，称作单入单出(SISO)系统。
SISO系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈——Shannon容量限制。
针对移动通信中的多径衰落与提高链路的稳定性，人们提出了天线分集技术。
而将天线分集与时间分集联合应用，还能获得空间维与时间维的分集效益。
因此，从传统单天线系统向多天线系统演进是无线通信发展的必然趋势。
2.2智能天线向多天线系统演进智能天线的核心思想在于利用联合空间维度与天线分集，通过最优加权合并而最大化信干噪比，使信号出错的概率随独立衰落的天线单元数目呈指数减小，而系统容量随天线单元数目呈对数增长。
然而，开关波束阵列仅适于信号角度扩展较小的传播环境，且自适应阵列虽可以用于信号角度扩展较大的多径传播环境，但在高强度的多径分量比较丰富的环境下，自适应天线系统抗衰落的能力相当有限，这是因为智能天线技术没有利用多径传播。
由于增大阵元间距与角度扩展及结合空时处理都有利于捕获与分离多径，因此结合天线发射分集与接收分集技术，充分利用而不是抑制多径传播，进一步开发空域资源，提高无线传输性能，成为了无线通信发展的必然趋势，即从智能天线向多天线系统演进。
2.3MIMO无线通信技术MIMO无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于天线分集与智能天线技术，具有二者的优越性，属于广义的智能天线的范畴。
第二章信道
2.1.1 信道定义 信道：传输信号的媒介。如电缆、光缆、波导等
2.1.2 信道的分类：狭义信道和广义信道 如果信道仅是指信号的传输媒介，这种信道称为狭义信道； 如果信道不仅是传输媒介，而且包括通信系统中的一些转
换装置，这种信道称为广义信道。 狭义信道按照传输媒介的特性：可分为有线信道和无线信
素：（1）乘性干扰 Kt的影响，（2）加性干
扰 nt 的影响。
2.2.2 编码信道模型
编码信道：包括调制信道，它与调制信道模型有 明显的不同，是一种数字信道或离散信道。编码 信道输入是离散的时间信号，输出也是离散的时 间信号，对信号的影响则是将输入数字序列变成 另一种输出数字序列。由于信道噪声或其他因素 的影响，将导致输出数字序列发生错误， 因此输 入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概 率来表征。
Pe=P(0)P(1/0)+P(1)P(0/1) (2.2-6)
在图2-3 所示的编码信道模型中，由于信道噪声 或其他因素影响导致输出数字序列发生错误是统 计独立的，因此这种信道是无记忆编码信道。根 据无记忆编码信道的性质可以得到
P(0/0)+P(1/0)=1 P(1/1)+P(0/1)=1
(2.2-7)
ei (t)
时变线性网络
eo (t)
图2-2 调制信道模型
调制信道的输出与输入之间可以表示为
eo (t) f ei t nt
（2.1-1）
其中， ei (t) 是输入的已调信号；eo (t) 是信道的输出；n(t)
为加性噪声（或称为加性干扰），它与 ei (t) 不是依赖关系 ；
f ei t是由网络（或信道）的特性确定。它表示
由二进制无记忆编码信道模型，可以容易 地推广到多进制无记忆编码信道模型。设 编码信道输入M元符号，即
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2
信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来 说接收信号的功率可以表达为
P d d
n
S (d ) R (d )
d 表示移动台与基站的距离
（1）电波在自由空间内的传播损耗 其中 n 取值一般为2~4； （2） S (d ) ：阴影衰落 （3） R (d ) ：多径衰落
d
n
,也被称作大尺度衰落。
p ( x)
x
x
2
e
x2 2 2
x0
视距通信
x 2 A2 p( x) 2 exp 2 2
J Ax
0 2
x0
16
2.3 常用多径信道计算机仿真模型
1.常用室内信道模型
二径模型 PDP：Power Delay Profile
10
多普勒效应引起的附加频率偏移称为多普勒频移，可以用下式表示
fcv v f cos cos f d cos c
fc 表示载波频率，c 表示光速， f d 表示最大多普勒频移
v 表示移动台和观察者之间的相对运动速度
为运动路线与入射角之间的夹角
当移动用户向着基站方向运动时，多普勒频移为正，即接收频率增加。 当移动用户远离基站方向运动时，多普勒频移为负，即接收频率减小。 多普勒扩展（Doppler spread）是一种由多普勒频移现象引
6
2.2.2 多径衰落
三种最重要的多径衰落效应： • 信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化； • 不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制； • 多径传播时延引起的扩展； 影响多径衰落的因素： 1.多径传播 2.移动台的速度 3.周围物体的速度 4.信号的发射带宽
7
多径传播信道的冲激响应模型
3
2.2 无线信道 2.2.1 大尺度衰落与阴影效应 1. 大尺度衰落 最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示为
Pr 1 L K n Pt d
Pt 表示本地平均发射信号功率；
P r 表示接收功率；
d 表示发射机与接收机之间的距离 ；
K 是独立于距离、功率和带宽的常数；
可以得到平均的信号噪声比( SNR )为
Y () V0 S ()e jt0 V0 S ()e j (t0 ) H () V0e
jt0
(1 e
j
) 2V0 e
H ()
jt 0
e
j
2
cos
2
H ( ) 2V0 cos
2
2 V0
0
2
3
4
9
信道的多径数目为
7，信号经7条不同路径
到达时的幅度和时间是 随机选择的。
若发射信号 st e jt ，则接收到的信号为
y (t ) ai e
i 1
L
j ( t i )
ai e
i 1
L
j i
e
jt
H ()e jt
2.2.3 无线信道的时变性以及多普勒频移
多普 勒谱
1 2 3 4 5 6
0.189 0.379 0.239 0.095 0.061 0.037
Classic Classic Classic GAUS1 GAUS2 GAUS2
Classic Classic GAUS1 GAUS1 GAUS2 GAUS2
24
COST 207模型的PDP 典型城市（TU） 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 相对 延时 （μs） 0.0 0.1 0.3 0.5 0.8 1.1 1.3 1.7 2.3 3.1 3.2 5.0 平均 功率 （dB） 0.092 0.115 0.231 0.127 0.115 0.074 0.046 0.074 0.051 0.032 0.018 0.025 乡村（BU） 相对 平均 延时 功率 （μs） （dB） 0.0 0.1 0.3 0.7 1.6 2.2 3.1 5.0 6.0 7.2 8.1 10.0 0.033 0.089 0.141 0.194 0.114 0.052 0.035 0.140 0.136 0.041 0.019 0.006
如果基带信号的符号周期大于信道的相干时间，则在基带信号
的传输过程中信道可能会发生改变，导致接收信号的失真，产生时 间选择性衰落（快衰落）；如果基带信号的符号周期小于信道的相
干时间，则在基带信号的传输过程中信道不会发生改变，也不会产
生时间选择性衰落，也称慢衰落。 多普勒扩展 快衰落 1.相干时间<码元间隔 2.信道变化比基带变化快 慢衰落 1.相干时间>码元间隔 2.信道变化比基带变化慢
22
4. 频率选择性衰落信道仿真
该模型的典型代表是ITU-R和COST207模型 ITU-R模型PDP
步行A 步行B 车载A 车载B
序 相对 平均 相对 平均 相对 平均 相对 平均 多普 勒谱 号 延时 功率 延时 功率 延时 功率 延时 功率 （ns） （dB） （ns） （dB） （ns） （dB） （ns） （dB） 1 2 3 4 5 6 0 110 190 410 0.0 -9.7 -19.2 -22.8 0 200 800 1200 2300 3700 0.0 -0.9 -4.9 -8.0 -7.8 -23.9 0 310 710 1090 1730 2510 0.0 -1.0 -9.0 -10.0 -15.0 -20.0 0 300 8900 12900 17100 20000 -2.5 0.0 -12.8 -10.0 -25.2 -16.0 典型 典型 典型 典型 典型 典型
考虑多普勒频移
h t , ai i e jit
i 1
L
i
是第
i 径的多谱勒频移。
H t , ai e
i 1 L j i i t
若发射信号
s( ) e jt ，则接收到的信号为
jt
y(t ) H t , e
SNR P 是单边噪声功率谱密度，B 是信号带宽。
如果为保证可靠接收，要求 SNR SNR0
SNR0 表示信噪比门限
KPt B r d N 0 SNR0
KPt d ( )1 r N 0 BSNR0
可见，如果不采用其他特殊的技术，则数据的符号速率以
及电波的传播范围都会受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系 统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动 通信系统的影响并不需要单独加以考虑。
5
2. 阴影衰落
电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻 挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中 值的变化，从而引起信号衰减，称为阴影衰落。阴影衰落 是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数
f d , max 为最大多普勒频移；
为离散多普勒频移；
k ,l 2uk ,l
为离散多普勒相位；
u k ,l
为独立随机变量。
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HIPERLAN/2多径信道模型（参考）
离散多径信道系数
多径序号k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 传播延时τk(ns) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 路径功率ρ（k） 1.0 0.6095 0.4945 0.3940 0.2371 0.1900 0.1159 0.0699 0.0462
Clarke/Gans模型框图
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Clarke/Gans时变信道模型
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3. HIPERLAN/2多径信道模型（参考）
M 1 L j ( 2f k ,l t k ,l ) h( , t ) k e ( k ) M k 1 l 1
f k ,l f d ,max sin(2uk ,l )
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COST 207（简化TU，简化BU）模型的PDP
典型城市（TU） 序 号 相对 延时 （μs） 0 0.2 0.5 1.6 2.3 5.0 平均 功率
（dB）
乡村（BU） 相对 延时 （μs） 0.0 0.3 1.0 1.6 5.0 6.6 平均 功率 （dB） 0.164 0.293 0.147 0.094 0.185 0.117 多普 勒谱
i 1
L
设发射信号为 s t ，则接收到的信号是经多径传播后的总和
y t ai s t i ,
i 1
L
1 2 3
y(t )
L
假设
s (t )
时延扩展
t t
8
s (t )
V0 V0
迟延t0 迟延t0＋τ
y(t )
＋
y(t ) V0 s(t t0 ) V0 s(t t0 )
ai e
i 1
L
j i i t
e
jt
ai e
i 1
L
j i
e
j i t
多谱勒角频移 i 会使接收信号的频谱扩展.
12
2.2.4选择性衰落
• 时延扩展——频率选择性衰落 最大时延扩展：第一个到达接收天线的信号分量与最后一个到 达的信号分量之间的时间差。 相干带宽：指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率 分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多 径信道具有恒定的增益和线性的相位。 如果相关带宽小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收 信号波形产生频率选择性衰落。反之，如果多径信道的相干带宽大于 发送信号的带宽，则接收信号经历平坦（Flat）衰落，或频率非选择 性衰落。
指数衰减模型
p( )
1
d
e / d