多入多出(MIMO)技术ppt.ppt

3 9多入多出 MIMO 技术 学习目标掌握多输入多输出系统 MIMO 的基本原理掌握多输入多输出系统 MIMO 的核心技术与应用方案 3 9多入多出 MIMO 技术 3 9 1MIMO技术原理3 9 2MIMO技术的应用方案 MIMO MultipleInput Multipleoutput 即多入多出技术 是无线通信领域智能天线技术的重大突破 它扩展了一维智能天线技术 具有极高的频谱利用率 能在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量 且信道可靠性大为增强 是新一代无线通信系统 即所谓的Beyond3G 4G 采用的核心技术之一 目前 世界各国学者都在对MIMO的理论 性能 算法和实现等各方面进行着广泛的研究 MIMO技术已成为通信技术发展中最为炙手可热的课题 MIMO是指信号系统发射端和接收端 分别使用了多个发射天线和接收天线 因而该技术被称为多发送天线和多接收天线 简称多入多出 技术 它可看着是分集技术的一种衍生 在实际的通信环境中 信号往往是通过周围物体的多次反射和散射才到达接收天线的 这被称为径 信号的多径传送会产生多径干扰 从而引起信号的衰落 因而一直被认为是不利信号准确传输的有害因素 克服的方法是采用分集的方法 它含有 分散 和 集合 二重含义 一方面它将载有相同信息的几路信号通过相对独立的途径 利用多发射天线 分散传输 另一方面设法将分散传输到接收点的几路信号最有效地收集起来 利用多接收天线 因为安排恰当的多副天线提供的多个空间信道 不会全部同时受到衰落 因此有降低信号电平的衰落幅度的作用 具有优化接收的含义 3 9 1MIMO技术原理 MIMO技术的实质是为系统提供了空间复用增益和空间分集增益 信号在传送中遇到物体发生反射和散射 产生多条路径 MIMO技术将这些路径变为传送信息子流的 虚拟信道 在接收端可用单一天线 也可用多个天线进行接收 当然每个接收天线接收到的是所有发送信号与干扰信号的叠加 MIMO的空时解码系统利用数学算法拆开和恢复纠缠在一起的传输信号并将它们正确地识别出来 空时编码 图3 37MIMO系统原理 MIMO系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个通道 如图3 37所示 传输信息流S k 经过空时编码形成M个信息子流 这M个子流由M个天线发送出去 经空间信道后由N个接收天线接收 多天线接收机能够利用先进的空时编码处理技术分开并解码这些数据子流 从而实现最佳处理 MIMO是在收发两端使用多个天线 每个收发天线之间对应一个MIMO子信道 在收发天线之间形成信道矩阵H 在某一时刻t 信道矩阵如 式3 34 所示 式3 34 其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益 2020 3 18 8 可编辑 M个子流同时发送到信道 各发射信号占用同一个频带 因而并未增加带宽 若各发射天线间的通道响应独立 则MIMO系统可以创造多个并行空间信道 通过这些并行的信道独立传输信息 必然可以提高数据传输速率 对于信道矩阵参数确定的MIMO信道 假定发射端总的发射功率为P 与发送天线的数量M无关 接收端的噪声用矩阵n表示 其元素是独立的零均值高斯复数变量 各个接收天线的噪声功率均为 为接地端平均信噪比 此时 发射信号是M维统计独立 能量相同 高斯分布的复向量 发射功率平均分配到每一个天线上 则容量公式为 式3 35 固定N 令M增大 使得 这时可以获得到容量的近似表达式 det代表行列式 代表M维单位矩阵 表示的共扼转置 从上式可以看出 此时的信道容量随着天线数的增加而线性增大 即可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量 在不增加带宽和天线发射功率的情况下 频谱利用率可以成倍地提高 充分展现了MIMO技术的巨大优越性 式3 36 3 9 2MIMO技术的应用方案 前面分析指出MIMO技术优势明显 但对频率选择性衰落无能为力 而OFDM技术却有很强的抗频率选择性衰落的能力 因此将两种技术有效整合 便成为最佳的实用方案 如图3 38所示 图中 数据进行两次串并转换 首先将数据分成N个并行数据流 将这N个数据流中的第n n 1 N 个数据流进行第二次串并转换成L个并行数据流 分别对应L个子载波 接着对这L个并行数据流进行IFFT变换 再将信号从频域转换到时域 然后从第n n 1 N 个天线上发送出去 这样共有NL个M QAM 正交振幅调制 符号被发送 整个MIMO系统假定具有N个发送天线 M个接收天线 在接收端第m m 1 M 个天线接收 到的第l l 1 L 个子载波的接收信号为 l 1 L 式3 37 其中是第l个子载波频率上的从第n个发送天线到第m个接收天线之间的信道矩阵 并且假定该信道矩阵在接收端是已知的 是第l个子载波频率上的从第n个发送天线发送的符号 是第l个子载波频率上的从第m个接收天线接收到的高斯白噪声 这样在接收端接收到的第l个子载波频率上的N个符号可以通过V BLAST算法进行解译码 重复进行L次以后 NL个M QAM符号就可以被恢复出来 图3 39MIMO OFDM实现框图 MIMO OFDM系统 通过在OFDM传输系统中采用天线阵列来实现空间分集 以提高信