MIMO天线设计

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空间分集和空间 复用等技术
概述
技术
设计 优化 MIMO系统的设计 原则和优化
应用
MIMO天线的历史、 原理及特点
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1 无线传输
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雷达
3 智能电网
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1 无线传输
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雷达
3 智能电网
为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将 会采用MIMO技术。 应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多 天线放置方法上可以分为两大类：
作用：为不同天线上发射的信号引入了时间和空间的 相关性，从而提高系统容量和信道利用率
空
时
编
码
CONTENTS
关键技术小结
MIMO优点
▪ 不增加频谱资源 ▪ 不增加发射天线功率
多发多收
充分利用空间资源 成倍提高系统信道容量 改善通信质量
空间分集和空间 复用等技术
概述
技术
设计 优化 MIMO系统的设计 原则和优化
如图,基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行MIMO 通信。
虚拟MIMO 1 发展背景：在一些无线传感器网络或者移动通信网 络中，接收端的节点比较小，无法安装多天线或者 没有足够的能量支持多天线。我们就会用到虚拟 MIMO技术。 定义：虚拟MIMO的基本思想是天线共享，多个节点 共同接收数据，然后在节点之间共享数据。这样可 以使一些无法安装多天线的设备提高传输容量。 问题：虚拟MIMO在实现的过程中还存在很多问题， 如物理层关键问题，共享安全，不同系统兼容等
注：H为NM的信道矩阵，上标H表示复 共轭转置
▪ SIMO信道容量（H已知）
C log2 (1 n R
▪
P
n

) 2
R 为接收天线数目
▪ 接收天线对信道容量的增加贡献呈指数，信道情况知晓否对容量无 明显影响
MISO信道容量
H已知： （ T为发射天线数目）
n
C log2 (1 nT
保证分集接收效果，实现双极化，正负45度正交极化，并 工作于双工模式；
改善方向图，控制（垂直，减小；水平，增大）波瓣宽度 提高增益；
采用分集技术，减轻衰落的影响，获得分集增益，提高接 收灵敏度；
改进天线结构，如减小天线尺寸。
MIMO-OFDM 定义：OFDM是一种多载波调制技术，基本思想是将信道分成若干个正 交子信道，然后将高速数据信号转换成并行的低速数据流，并调制到每 个子信道上进行传输，在接收端分开正交信号并减少子信道间干扰。 优点：用多个天线传输不同子信道上的数据，可以大大降低无线宽带通 信系统中接收机的复杂度。
容量表示通信系统的最大传输速率，香农公式确定了在有噪声 的信道中进行可靠通信的上限速率。随着对通信速率要求的不 断提高，因此需要突破传统无线通信系统的容量界限。
提升信道容量的方法 1.设置更多的基站 代价高
2.拓宽已使用的 频带 3.提高频谱使用 效率
资源紧 张
增加信噪比
器件散热、干扰电 平
为了改善通信质量，提高信道容量，由SIMO和MISO技术发展 演变为MIMO（Multiple Input Mutiple Output)
MIM0技术将在智能电网中实现以下几方面内容
▪ 智能网的“自愈”特性的实 现 ▪ 高级测量体系AMI实现 ▪ 高级配电体系ADA实现 ▪ 高级输电实现
谢
谢
大
家
1 空间分集
2 空间复用
3 空时编码
在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数 据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上 发射出去。 空间复用的优点是提高传输速率。
1 空间分集
2 空间复用
3 空时编码
空时编码
空时分组编码就是在空间域和时间域两维方向上对信 号进行编码。在时间上把不同信号在不同时隙内使用 同一个天线发射，使接收端可以分集接收。用这样的 方法可以获得分集和编码增益，从而实现高速率的传 输。
H未知
P

2
)
C log2 (1
P

2
)
当发送与接收端都对H一无所知时，系统容量没有提升
当天线数量较多时，系统容量可近似表达为：
B为信号带宽，p为接收端平均信噪比
该系统的容量随最小天线数目min（M,N)线性增长。 MIMO技术实质上是为无线通信系统提供一定的分集增益和复用增益。 对于理想的随机信道，如果天线的空间和成本不受限制，MIMO系统就 能提供无限大的容量。
MIMO系统的特点：
壹
各个天线之间的距离足够大， 防止信号间过大的相关性
贰
任意无线信道是相互独立或具 有很小的相关性
Leabharlann Baidu
MIMO技术是如何提高信道容量
在收发天线之间形成了 N × M信道矩阵H ，在某一时刻t，信道矩 阵为：
元素h是发射天线i的信道增益。假定发送端确定信道信息，总的发送 功率为P，功率与发送天线的数量M无关；各个接受天线的噪声功率 均为发射功率平均分配到每一个发送天线上，则系统容量为：
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1 无线传输
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雷达
3 智能电网
MIMO技术在智能电网中的应用
智能电网选择MIMO技术作为主要的通信方式，具有很多优势同时 也是一种必然趋势。
可以实现资源共享，减少资源重复建设带来的损失。 MIMO技术具有的稳定性和大数据流量的特点，可以使人们随时随 地监控电网的东塔，进行良好的资源配置
MIMO天线技术
空间分集和空间 复用等技术
概述
技术
设计 优化 MIMO系统的设计 原则和优化
应用
MIMO天线的历史、 原理及特点
空间分集和空间 复用等技术
概述
技术
设计 优化 MIMO系统的设计 原则和优化
应用
MIMO天线的历史、 原理及特点
MIMO系统提出背景
传统无线通信系统中，发射端和接收端通常各使用一根天线 信道容量：
多天线分布策略 定义：MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统， 将基站的单 天线换为多个天线构成的天线阵列。 优点：MIMO智能天线分布策略,通过多天线基站分布优化来增强衰落 独立性。 与传统阵列相比： A 阵元间距要足够 C 无须设计馈电电路 B 不要求方向性 D 布局灵活
空间分集和空间 复用等技术
概述
技术
设计 优化 MIMO系统的设计 原则和优化
应用
MIMO天线的历史、 原理及特点
1 空间分集
2 空间复用
3 空时编码
1 空间分集
2 空间复用
3 空时编码
空间被当作一种能有效提供分集的资源，假设接收机具有 多个天线，发射信号通过不同路径到达接收机，如果接收 机的天线距离足够大（通常大于半个波长即可），那么接 收信号将会经历不同的信道衰落，即每个接收信号可以看 作独立的，从而提供空间分集。 空间分集实质上是通过信号通过不同路径获得的
一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆 盖小区: 集中式MIMO 另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区: 分布式MIMO。
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1 无线传输
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雷达
3 智能电网
MIMO技术在雷达领域的应用
▪ MIMO技术能使雷达系统通过独特的时间--能量管理技术实现 对个独立宽波束同时照射。主要是通过多个天线发射不同的正 交波形，同时覆盖较大空域，并利用长时间相干积累来获得较 高的信噪比。 ▪ MIMO雷达具有处理维数更高、手法孔径利用更充分、角分辨 率更高的优点
什么是MIMO
MIMO是指在发射端和接收端采用多根天线，使信号在空间 获得阵列增益、分集增益、复用增益和干扰抵消等的一种 多天线技术。
MIMO系统工作过程
MIMO系统配有M根发送天线和 N 根接收天线在发送端经空时 编码形成M个子信息流，送到天线进行发射，并行传送，在 接收端根据不同天线信号在无线信道中的不相关性，通过各 种空时检测技术把并行合流为串行数据流。
应用
MIMO天线的历史、 原理及特点
在MIMO系统中，天线的数目和间距是影响系统参数的重要 因素，在设计时应注意以下两点：
采用小型化天线，尽量减小天线尺寸； 将多副天线的功能集中到一副天线上，用一副天线来代替二 副或多副天线。
设计思想： 增大频率带宽，便于MIMO系统频段在一定范围内做调整；