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浅谈MIMO技术 1 一 MIMO技术简介 二 基本原理 三 空时编码 四 应用及展望 2 MIMO Multiple InputMultiple Output 即是多输入多输出技术 是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线 信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收 从而改善每个用户的服务质量 误比特率或数据速率 3 MISO系统 SIMO系统 4 早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落 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 MIMO的发展历史 5 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等讨论了用于多入多出的空时码 1998年Wolniansky等人采用垂直 贝尔实验室分层空时 V BLAST 算法建立了一个MIMO实验系统 在室内试验中达到了20bit s Hz以上的频谱利用率 MIMO的发展历史 6 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 MIMO的发展历史 7 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 技术概念简单 任何一个无线通信系统 只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列 就构成了一个无线MIMO系统 8 MIMO的技术特点 点到点的固定微波系统中也只有10 12bit s Hz MIMO技术在室内传播环境下的频谱效率可以达到20 40bit s Hz 传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1 5bit s Hz 9 一 MIMO技术简介 二 基本原理 三 空时编码 四 应用及展望 10 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 MIMO的基本原理 11 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 x1x2 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 MIMO的基本原理 发送信号的功率可以表示为 12 MIMO的基本原理 MIMO系统的信道用一个nR nT的复数矩阵H描述 其中hij表示从第i个发送天线到第j个接收天线的信道衰落系数 13 MIMO的基本原理 接收信号和噪声可以分别用两个nR 1的列向量y和n表示 n均值为0 功率为 2 通过这样一个线性模型 接收信号可以表示为 接收信号的功率可表示为 14 MIMO的基本原理 对于分别配有nT根发射天线和nR根接收天线的MIMO信道 发射端在不知道传输信道的状态信息条件下 如果信道的幅度固定 则信道容量可以表示为 式中的min为nT和nR的最小数 为信噪比 矩阵Q的定义如下 15 MIMO的基本原理 1 全 1 信道矩阵的MIMO系统 如果接收端采用相干检测合并技术 那么经过处理后的每根天线上的信号应同频同相 这时可以认为来自nT发射天线上的信号都相同 si s i 1 2 nT 第j根天线接收到的信号可表示为rj nTsi nTs j 1 2 nR 且该天线的功率可表示为 16 MIMO的基本原理 则在每根接收天线上取得的等效信噪比为nT 因此在接收端取得的总信噪比为nTnR 此时的多天线系统等效为某种单天线系统 但这种单天线系统相对于原来纯粹的单天线系统 取得了nTnR的分集增益 信道容量可以表示为 17 MIMO的基本原理 如果接收端采用非相干检测合并技术 由于经过处理后的每根天线上的信号不尽相同 在每根接收天线上取得的信噪比仍然为 接收端取得的总信噪比为nR 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 18 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 IL为L L的单位矩阵 19 MIMO的基本原理 信道容量为 与原来的单天线系统相比 信道容量获得了L倍的增益 这是由于各个天线的子信道之间的耦合的结果 20 MIMO的基本原理 如果信道系数的幅度随机变化 MIMO信道的容量为一随机变量 它的平均值可以表示为 式中 r为信道矩阵H得秩 r min nR nT 下图是MIMO信道容量累计概率分布曲线图 它反映了信道容量累计分布与发射和接收天线数得变换关系 21 MIMO的基本原理 22 MIMO的基本原理 目前MIMO技术领域的研究热点之一是空时编码 空时编码技术真正实现了空分多址 空时码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 总之MIMO技术有效利用了随机衰落和多径传播力量 在同样的带宽条件下为无线通信的性能带来改善 23 一 MIMO技术简介 二 基本原理 三 空时编码 四 应用及展望 24 空时编码 空时块编码 STBC 空时格码 STTC 分层空时码 LST 具有良好的分集增益 不仅具有优良的分集增益 还具有良好的编码增益 可获得较高的复用增益 25 STBC编码 空时块编码 STBC 能使MIMO系统获得良好的分集增益 其本质是将信号经过正交编码后由多根天线发送 由于经过正交编码后的信号相互独立 所以在接收端可以很容易的将信号区别开来 在接收端只需进行简单的线性合并即可获得发送信号 26 STBC编码 以双天线为例 又称为AlamoutiSTBC编码器 其结构如下图所示 27 STBC编码 信源发出的二进制比特信息首先进行数字调制 调制为M 2m进制的符号 然后AlamoutiSTBC编码器选取连续的两个符号 根据下式映射为发送信号矩阵 28 STBC编码 天线1发送信号矩阵X的第一行 天线2发送信号矩阵的第二行 AlamoutiSTBC是在时域和空域上进行编码 令天线1和天线2的发送信号矢量分别为 可以明显地看出两根天线发送的信号矢量是相互正交的 即 29 STBC编码 相应地 编码矩阵的特征如下式所示 其中 I2是2 2的单位矩阵 假设接收机采用单天线接收 天线1和2所发送的信号所经历的信道响应系数分别为 30 STBC编码 在接收端 相邻两个符号周期接收到的信号可以表示为 其中 n1和n2表示第一个符号和第二个符号所受到的加性白高斯噪声的干扰 31 STBC译码 在接收端采用最大似然译码器进行译码 其结构如图 32 假设在接收端可以获得理想的信道估计 且每个信号落到信号星座图上的概率是等概的 则最大似然译码算法要求在信号星座图上选择一对信号来最小化与接收信号之间的欧氏距离 即 STBC译码 33 将 代入可得最大似然译码准则为 STBC译码 34 其中 C表示调制符号对的组合 是判决统计量 表示为 上式可进一步简化为 STBC译码 35 由此可知 给定信道的冲激响应 则两个判决统计量分别为各自发送信号的函数 则最大似然准则可分解为独立的两个准则 即 STBC译码 36 当采用MPSK调制时 对于所有的信号点 i 1 2是常量 因此 最大似然判决准则可以进一步简化为 STBC译码 37 一 MIMO技术简介 二 基本原理 三 空时编码 四 应用及展望 38 MIMO技术的应用 在3GPP 第三代协作伙伴项目 的高速下行链路分组接入方案 HighSpeedDownlinkPac