MIMO技术概述
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编码过程：原始状态在0状态，如果输入比特为00，那么第一根天线 和第二根天线发送的信息为0、0，且仍停留在0状态；输入比特为01， 那么第一根天线和第二根天线发送的信息为0、1，且转移到状态1； 输入比特为11，那么第一根天线和第二根天线发送的信息为1、3，且 转移到状态3，依次类推。 空时格码的译码采用最大似然译码器，通常采用Viterbi译码器进行最 大似然译码。采用STTC能同时得到编码增益和分集增益，虽然它能 够提供比现在系统高3-4倍的频谱效率，但是其译码复杂度随着状态 数的增加而指数增长。
MIMO-OFDM
OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减 少了多径衰落的影响；而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信 道同时传输多路数据流，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。 将OFDM与MIMO相结合 实现很高的数据传输速率 通过分集实现很高的可靠性 关键技术 空时编解码和空频编解码 帧同步和载波频偏估计 采样时钟的同步和载波频偏的纠正（OFDM对载波频率偏移很敏感） 信道估计
MIMO波束成型
在波束成形方案中，每个用户的数据流经过独立的编码后乘上预编码 矩阵，再通过多个天线发射出去。利用不同用户的空间分离性，选择 合适的预编码矩阵能减少甚至消除用户间的相互干扰，因而能同时支 持多个用户传输。 有两种典型的波束成型方案——正交随机波束成型和迫零波束成型 正交随机波束成型：先构造出波束矢量，然后寻求和波束矢量相匹配 的用户信道。 例：首先构造M个随机正交的 M 1 单位波束矢量 wi ，与对应的训练 符号 si 相乘得到总的发射信号以及灯功率分配用户i的接收信号分别 M 为 P M yi x wi si hk w j s j ni M j 1 i 1
分层空时结构
D-BLAST
V-BLAST第一路数据总在第一根天线上发射，而D-BLAST则是第一 路数据在5根天线的5个不同时段发射，即在不同发射天线之间进行交 织。 D-BLAST发射机采用循环变动的结构，就避免了某一路数据因为信道 条件的不好，而导致连续的误码，从而影响整个接收机的性能。DBLAST能够达到Shannon容量的90%，但其运算极其复杂。
空时编码
空时编码就是将空间域上的发送分集和时间域上的信道编码相结合的 联合编码技术。 种类主要有： 空时格码（STTC：Space-Time Trellis Code） 空时分组码（STBC：Space-Time Block Code） 基本概念： 满分集度：系统所能获得的最大分集增益等于发射天线数和接收天 线数之积NM 满数据速率：系统的数据传输速率与未使用空时分组码的单天线系统 相同。也就是说，如果空时编码矩阵C具有T×N阶（其中N为发送天 线数，T为发送时隙数），且T个时隙发送Z个符号时，那么满数据速 率就意味着Z/T=1。
可以看到在只有一条主路径的情况下，多天线只提供了功率增益。 在多径环境中有许多反射和散射量 例： 这样矩阵的秩就有可能增加，从而提供了自由度的增益
MIMO信道shannon容量
MIMO衰落信道的容量式是随机信道矩阵矩阵H的奇异值 分布的函数，由詹森不等式可知：
当且仅当奇异值全部相等时等号成立，因此，如果信道矩阵H足够随 机且外围统计良态，同时总的信道增益很好地分布于各奇异值，那么 就可以获得高容量，这为MIMO的高速数据速率传输奠定了理论基础
发展历史
多入多出(MIMO) 是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该 技术能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，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。 发展历史： 1908年 马可尼就提出用MIMO来抗衰落; 70年代 有人提出将MIMO用于通信系统; 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MIMO的空时码； 1998年 Wolniansky等采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法 建立了一个MIMO实验系统 这些工作受到各国学者的极大注意，并使得MIMO技术的研究工作得 到了迅速发展。
空时编码
空时块码流程图
分层空时结构与空时编码的比较
空时码用并行的信道得到分集，它的频谱效率不如分层空时结构。空 时编码中所说的满数据速率是指系统的数据传输速率与未使用空时分 组码的单发射天线相同，而并不是MIMO所能达到的最大数据速率。 而分层空时结构可以实现多路完全独立数据的并行传输，因此能达到 MIMO系统的最大速率；
迫零波束成型：选择将干扰项置零的波束矢量实现零干扰，hk w j 0 j k 令所有选中用户的信道向量和波束矢量组成的信道矩阵和预 编码矩阵为H(U)和W(U)，则实现零干扰只需要W(U) 是H(U) 的广义 逆：
W (U ) H (U )H ( H (U ) H (U )H )1
空时编码
空时格码（STTC：Space-Time Trellis Code）：将发送分集与网格 编码调制相结合的联合编码方式。所获得的编码方案在不牺牲系统带 宽的情况下获得满分集增益和高编码增益，进而提高传输质量 例：两根天线，4-PSK，4状态的STTC
空时编码
上图所示，星座图上有0、1、2、3四个状态。在每条支路上斜线的上 方表示输入比特，下方表示2根天线上的输出比特。每次输入2个比特， 分别是0、1中的任一个；输出的2个符号分别是四个状态中的一个， 分配给2根天线分别发送。
比特流分离成两组数据流，分别送到两根发送天线，每根发送天线采 用唯一的Walsh码或准正交函数进行扩频。
最新进展
正交发送分集在cdma2000中的具体实现见下页图。比特流在分离成 两组子流之后，一组数据采用重复，另一组数据采用反转，最后采用 相同的扩频码进行扩频，分别送到不同的天线上发送。采用这种方法 是为了保证每个用户有足够的Walsh码。
分层空时结构
BLAST:为了充分利用MIMO的信道容量，G..J.Foschini提出了分 层空时结构（ BLAST： Bell-laboratories Layered Space-Time）
定义：将信源数据分为多个数据子流，送入调制映射器进行信号 映射。输出的多路调制信号进行空间域和时间域的信号构造（对 角结构、垂直结构等）后，再由多个发射天线发射出去。经无线 信道传播后，由多个接收天线接收。在接收机中经空时检测、解 调、译码，得到判决数据。 BLAST的优点是真正意义上实现了高速数据通信，因为它在多条 并行信道里发送的是独立的、没有冗余的信息流，所以它的传输 速率将远大于利用传统技术所得到的传输速率。
由于空时码引入了空间冗余度，使得其获得较大的分集增益，且空时 格码还能得到编码增益；而分层空时结构只能获得分集增益，且不如 空时码，使得它主要应用于高信噪比的条件下； 分层空时结构要求接收天线数大于发射天线数，且要在强散射的环境 下，而空时码对接收端的天线没有严格的要求；在强散射环境下， BLAST是众多空时分集方案中最优的，但是随着散射环境的减弱， BLAST的所有算法的谱效率都要有所下降。
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
BLAST根据构造方式的不同，可以分为垂直结构（V-BLAST： Vertical BLAST）和对角结构（D-BLAST：Diagonal BLAST） V-BLAST（Vertical BLAST） 是一种简化的BLAST检测算法，也就 是码块垂直分散在每根天线上
图中 个独立的数据流在由酉矩阵Q确定的任意坐标系统中进行多路 复用，该酉矩阵未必与信道矩阵H有关
MIMO技术概述
目录:
MIMO技术发展历史 MIMO系统模型及信道模型 MIMO系统中的分层空时结构 MIMO系统中的空时编码 分层空时结构与空时编码的比较 MIMO波束成形 MIMO-OFDM 最新进展（举例说明cdma2000中的多天线技术） 下一步工作展望
MIMO波束成型
用户i将匹配最好的波束（SINR最大）及对应的SINR值反馈给基站， 基站从每个波束中选取SINR最大的用户，并使用该波束给选取用户 传输信息 SINR定义:
SINRi , j M P | h i w k |2
k j
| h i w j |2
j 1,...M
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
空时编码
空时分组码（STBC：Space-Time Block Code）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，实际上是一种空间域和时间 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。 空时分组码根据调制符号的实数、复数又可分为两种情况： 若调制符号为实数：比如BPSK、PAM调制，满数据速率的N×N阶的 空时分组编码矩阵只存在于发射天线数N=2,4,8的情况， 举例：N=2，4
MIMO系统模型
MIMO系统框图
M根发射天线的信号矢量为 N根天线上引进的噪声矢量为 接收信号可以表示为
MIMO信道模型
独立同分布的复高斯信道（一般用来描述较强的散射环境，理想情况）
带相关性的信道模型
MIMO信道模型
信道矩阵表示（对一条主路径的描述） 发射天线与发射天线阵列在方向余弦上的单位空间特征图为：
最新进展
cdma2000系统中采用空时扩频（STS：Space-Time Spreading） 和正交发送分集（ OTD：Orthogonal Transmit Diversity）两种发 送分集方案。这两种方案可以改善 cdma2000前向链路中，采用正交发送分集（OTD）来利用多天线， 其原理如图
空时编码
若调制符号为复数，比如多进制相位调制（M-PSK）、多进制正交幅 度调制(M-QAM)，当发射天线数为2时，对应的空时分组码就是空时 发送分集，空时分组码矩阵为（Alamouti 方案）
当发射天线数大于2时，已经有文献证明了，满分集度、满数据速率， 又保持正交性的空时分组码是不存在的 例：4根发射天线，数据速率为3/4
Hale Waihona Puke Baidu
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
MIMO-OFDM
OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减 少了多径衰落的影响；而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信 道同时传输多路数据流，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。 将OFDM与MIMO相结合 实现很高的数据传输速率 通过分集实现很高的可靠性 关键技术 空时编解码和空频编解码 帧同步和载波频偏估计 采样时钟的同步和载波频偏的纠正（OFDM对载波频率偏移很敏感） 信道估计
MIMO波束成型
在波束成形方案中，每个用户的数据流经过独立的编码后乘上预编码 矩阵，再通过多个天线发射出去。利用不同用户的空间分离性，选择 合适的预编码矩阵能减少甚至消除用户间的相互干扰，因而能同时支 持多个用户传输。 有两种典型的波束成型方案——正交随机波束成型和迫零波束成型 正交随机波束成型：先构造出波束矢量，然后寻求和波束矢量相匹配 的用户信道。 例：首先构造M个随机正交的 M 1 单位波束矢量 wi ，与对应的训练 符号 si 相乘得到总的发射信号以及灯功率分配用户i的接收信号分别 M 为 P M yi x wi si hk w j s j ni M j 1 i 1
分层空时结构
D-BLAST
V-BLAST第一路数据总在第一根天线上发射，而D-BLAST则是第一 路数据在5根天线的5个不同时段发射，即在不同发射天线之间进行交 织。 D-BLAST发射机采用循环变动的结构，就避免了某一路数据因为信道 条件的不好，而导致连续的误码，从而影响整个接收机的性能。DBLAST能够达到Shannon容量的90%，但其运算极其复杂。
空时编码
空时编码就是将空间域上的发送分集和时间域上的信道编码相结合的 联合编码技术。 种类主要有： 空时格码（STTC：Space-Time Trellis Code） 空时分组码（STBC：Space-Time Block Code） 基本概念： 满分集度：系统所能获得的最大分集增益等于发射天线数和接收天 线数之积NM 满数据速率：系统的数据传输速率与未使用空时分组码的单天线系统 相同。也就是说，如果空时编码矩阵C具有T×N阶（其中N为发送天 线数，T为发送时隙数），且T个时隙发送Z个符号时，那么满数据速 率就意味着Z/T=1。
可以看到在只有一条主路径的情况下，多天线只提供了功率增益。 在多径环境中有许多反射和散射量 例： 这样矩阵的秩就有可能增加，从而提供了自由度的增益
MIMO信道shannon容量
MIMO衰落信道的容量式是随机信道矩阵矩阵H的奇异值 分布的函数，由詹森不等式可知：
当且仅当奇异值全部相等时等号成立，因此，如果信道矩阵H足够随 机且外围统计良态，同时总的信道增益很好地分布于各奇异值，那么 就可以获得高容量，这为MIMO的高速数据速率传输奠定了理论基础
发展历史
多入多出(MIMO) 是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该 技术能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，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。 发展历史： 1908年 马可尼就提出用MIMO来抗衰落; 70年代 有人提出将MIMO用于通信系统; 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MIMO的空时码； 1998年 Wolniansky等采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法 建立了一个MIMO实验系统 这些工作受到各国学者的极大注意，并使得MIMO技术的研究工作得 到了迅速发展。
空时编码
空时块码流程图
分层空时结构与空时编码的比较
空时码用并行的信道得到分集，它的频谱效率不如分层空时结构。空 时编码中所说的满数据速率是指系统的数据传输速率与未使用空时分 组码的单发射天线相同，而并不是MIMO所能达到的最大数据速率。 而分层空时结构可以实现多路完全独立数据的并行传输，因此能达到 MIMO系统的最大速率；
迫零波束成型：选择将干扰项置零的波束矢量实现零干扰，hk w j 0 j k 令所有选中用户的信道向量和波束矢量组成的信道矩阵和预 编码矩阵为H(U)和W(U)，则实现零干扰只需要W(U) 是H(U) 的广义 逆：
W (U ) H (U )H ( H (U ) H (U )H )1
空时编码
空时格码（STTC：Space-Time Trellis Code）：将发送分集与网格 编码调制相结合的联合编码方式。所获得的编码方案在不牺牲系统带 宽的情况下获得满分集增益和高编码增益，进而提高传输质量 例：两根天线，4-PSK，4状态的STTC
空时编码
上图所示，星座图上有0、1、2、3四个状态。在每条支路上斜线的上 方表示输入比特，下方表示2根天线上的输出比特。每次输入2个比特， 分别是0、1中的任一个；输出的2个符号分别是四个状态中的一个， 分配给2根天线分别发送。
比特流分离成两组数据流，分别送到两根发送天线，每根发送天线采 用唯一的Walsh码或准正交函数进行扩频。
最新进展
正交发送分集在cdma2000中的具体实现见下页图。比特流在分离成 两组子流之后，一组数据采用重复，另一组数据采用反转，最后采用 相同的扩频码进行扩频，分别送到不同的天线上发送。采用这种方法 是为了保证每个用户有足够的Walsh码。
分层空时结构
BLAST:为了充分利用MIMO的信道容量，G..J.Foschini提出了分 层空时结构（ BLAST： Bell-laboratories Layered Space-Time）
定义：将信源数据分为多个数据子流，送入调制映射器进行信号 映射。输出的多路调制信号进行空间域和时间域的信号构造（对 角结构、垂直结构等）后，再由多个发射天线发射出去。经无线 信道传播后，由多个接收天线接收。在接收机中经空时检测、解 调、译码，得到判决数据。 BLAST的优点是真正意义上实现了高速数据通信，因为它在多条 并行信道里发送的是独立的、没有冗余的信息流，所以它的传输 速率将远大于利用传统技术所得到的传输速率。
由于空时码引入了空间冗余度，使得其获得较大的分集增益，且空时 格码还能得到编码增益；而分层空时结构只能获得分集增益，且不如 空时码，使得它主要应用于高信噪比的条件下； 分层空时结构要求接收天线数大于发射天线数，且要在强散射的环境 下，而空时码对接收端的天线没有严格的要求；在强散射环境下， BLAST是众多空时分集方案中最优的，但是随着散射环境的减弱， BLAST的所有算法的谱效率都要有所下降。
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
BLAST根据构造方式的不同，可以分为垂直结构（V-BLAST： Vertical BLAST）和对角结构（D-BLAST：Diagonal BLAST） V-BLAST（Vertical BLAST） 是一种简化的BLAST检测算法，也就 是码块垂直分散在每根天线上
图中 个独立的数据流在由酉矩阵Q确定的任意坐标系统中进行多路 复用，该酉矩阵未必与信道矩阵H有关
MIMO技术概述
目录:
MIMO技术发展历史 MIMO系统模型及信道模型 MIMO系统中的分层空时结构 MIMO系统中的空时编码 分层空时结构与空时编码的比较 MIMO波束成形 MIMO-OFDM 最新进展（举例说明cdma2000中的多天线技术） 下一步工作展望
MIMO波束成型
用户i将匹配最好的波束（SINR最大）及对应的SINR值反馈给基站， 基站从每个波束中选取SINR最大的用户，并使用该波束给选取用户 传输信息 SINR定义:
SINRi , j M P | h i w k |2
k j
| h i w j |2
j 1,...M
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
空时编码
空时分组码（STBC：Space-Time Block Code）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，实际上是一种空间域和时间 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。 空时分组码根据调制符号的实数、复数又可分为两种情况： 若调制符号为实数：比如BPSK、PAM调制，满数据速率的N×N阶的 空时分组编码矩阵只存在于发射天线数N=2,4,8的情况， 举例：N=2，4
MIMO系统模型
MIMO系统框图
M根发射天线的信号矢量为 N根天线上引进的噪声矢量为 接收信号可以表示为
MIMO信道模型
独立同分布的复高斯信道（一般用来描述较强的散射环境，理想情况）
带相关性的信道模型
MIMO信道模型
信道矩阵表示（对一条主路径的描述） 发射天线与发射天线阵列在方向余弦上的单位空间特征图为：
最新进展
cdma2000系统中采用空时扩频（STS：Space-Time Spreading） 和正交发送分集（ OTD：Orthogonal Transmit Diversity）两种发 送分集方案。这两种方案可以改善 cdma2000前向链路中，采用正交发送分集（OTD）来利用多天线， 其原理如图
空时编码
若调制符号为复数，比如多进制相位调制（M-PSK）、多进制正交幅 度调制(M-QAM)，当发射天线数为2时，对应的空时分组码就是空时 发送分集，空时分组码矩阵为（Alamouti 方案）
当发射天线数大于2时，已经有文献证明了，满分集度、满数据速率， 又保持正交性的空时分组码是不存在的 例：4根发射天线，数据速率为3/4
Hale Waihona Puke Baidu
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