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高玉龙哈尔滨工业大学通信技术研究所 MIMO技术基本知识 CommunicationResearchCenter 通信技术研究所 MIMO技术原理 MIMO空时编码 MIMO信道模型 MIMO信道容量 主要内容 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 MIMO的观点 独立多径的利用 1 MIMO技术原理 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 TBell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 1 MIMO技术原理 1 MIMO技术原理 MIMO技术原理 MIMO空时编码 MIMO信道模型 MIMO信道容量 主要内容 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 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 总述 1996年 G J Foschini提出了对角结构分层空时结构 D BLAST Bell laboratorieslayeredSpace 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 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 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 V LST的两种结构 2 MIMO的空时编码 分层空时码 复用 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 空时格码 STTC Space TimeTrellisCode 空时分组码 STBC Space TimeBlockCode AlamoutiSTBC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 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 2 MIMO的空时编码 空时分组码 分集 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 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 Alamouti空时块编码器结构 2 MIMO的空时编码 空时分组码 分集 MIMO技术原理 MIMO空时编码 MIMO信道模型 MIMO信道容量 主要内容 3 MIMO的信道模型 无线电波传播 3 MIMO的信道模型 无线通信中的电波传播 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 无线电波反射 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 无线电波绕射 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 无线电波散射 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 无线通信信号特点 小尺度衰落 3 MIMO的信道模型 无线通信信号特点 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 中尺度衰落 3 MIMO的信道模型 无线通信信号特点 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 大尺度衰落 3 MIMO的信道模型 无线通信信号特点 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 3 MIMO的信道模型 SIMO冲激响应信道模型 陈列操纵矢量 陈列机构和达波角的函数 第m个分量为 3 MIMO的信道模型 MISO冲激响应信道模型 陈列操纵矢量 陈列机构和去波角的函数 第m个分量为 3 MIMO的信道模型 MIMO冲激响应信道模型 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 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 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无线信道空间特征 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空间信道模型 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 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 3 MIMO的信道模型 MIMO信道模型总述 要求 散射足够丰富 天线间距足够大 特征 各子信道统计上几乎独立 并且相同分布 矩阵元素独立同分布 均值为0 方差为1的复高斯分布 矩阵满秩 3 MIMO的信道模型 MIMO独立同分布高斯信道模型 基于1 71GHz与2 05GHz下 J P Kermoal提出基于功率相关矩阵的随机信道模型 3 MIMO的信道模型 ISTMETRA随机信道模型 3 MIMO的信道模型 ISTMETRA随机信道模型 发端和收端对应的相关特性分别通过相应的功率相关矩阵和表示 3 MIMO的信道模型 ISTMETRA随机信道模型 空间相关系数可表示为发端与收端的相关系数的乘积 即 3 MIMO的信道模型 ISTMETRA随机信道模型 信道的相关矩阵表示为两矩阵的直积 3 MIMO的信道模型 ISTMETRA随机信道模型 发端和收端对应的相关特性分别通过相应的协方差矩阵和表示 3 MIMO的信道模型 ISTSATURN随机信道模型 3 MIMO的信道模型 ISTSATURN随机信道模型 3 MIMO的信道模型 ISTSATURN随机信道模型 MIMO技术原理 MIMO空时编码 MIMO信道模型 MIMO信道容量 主要内容 4 MIMO的信道容量 SISO的信道容量 高斯信道的信道容量 MISO的信道容量 不同场景的信道容量表达式 4 MIMO的信道容量 SIMO的信道容量 MIMO的信道容量 不同场景的信道容量表达式 由于无线衰落环境的多径效应和时变性 系统的信道容量不再是一个固定的量 而是一个随机变量 4 MIMO的信道容量 平均信道容量 也称各态历经容量 一般用来衡量系统整体意义上的信道容量性能中断信道容量 系统能以某一较高确定概率保证信息传输的速率 其定义如下 如果系统的信道容量小于某一固定值 的概率为一个较小的数值 即有 为中断信道容量 为中断概率 信道容量定义 在实际系统中 信道响应矩阵常常是随机矩阵 一般的 矩阵的每个系数服从Rayleigh分布或Rice分布 我们主要讨论的信道类型有 信道响应矩阵是随机矩阵 在每个符号周期内保持不变 而符号之间随机变化 这种信道称为快衰落信道 信道响应矩阵是随机矩阵 在固定数目的符号周期内保持不变 且持续时间远小于整个发送时间 这种信道称为块衰落信道 信道响应矩阵是随机矩阵 且在整个发送时间都保持不变 这种信道称为慢衰落或准静态衰落信道 4 MIMO的信道容量 随机信道类型 信道响应服从自由度为2的分布 可以表述为 其中z1和z2都是0均值独立高斯随机变量 方差都为1 2 则对于这种单发单收系统信道容量可以表示为 数学期望是对随机变量进行的 对于MIMO快衰落信道 采用奇异值分解方法得到的系统容量为 4 MIMO的信道容量 块衰落随机信道容量分析 其中Q矩阵定义为 对于快衰落信道 由于信道响应是遍历随机过程 因此可以对随机矩阵H取数学期望 当天线数目较大时 为了便于MIMO信道容量的计算 可以利用拉盖尔 Laguerre 多项式展开得 其中 表示k阶拉盖尔多项式 定义为 4 MIMO的信道容量 块衰落随机信道容量分析 记 增加m和n而保持不变 则用m归一化的信道容量可以表述为 其中 接着 考察准静态信道的MIMO系统容量 在准静态信道响应条件下 整个发送时间只有一个信道响应矩阵 因此这种信道是非遍历随机过程 严格意义上的香农信道容量为0 4 MIMO的信道容量 块衰落随机信道容量分析 在准静态信道响应条件下 整个发送时间只有一个信道响应矩阵 因此这种信道是非遍历随机过程 严格意义上的香农信道容量为0 但如果引入中断 Outage 概率 表征系统能够达到某个容量的概率 则仍然可以刻画这种信道的系统容量 由此 对于准静态信道 需要引入中断容量概念 给定系统发送容量R 则系统的中断容量可以定义为 4 MIMO的信道容量 准静态随机信道容