MIMO技术概述

1、 MIMO技术概述n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n发展历史发展历史 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M

2、IMO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。 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n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）n带相关性的信道模型 MIMO信道模型n信道矩阵表示（对

3、一条主路径的描述）n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：n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。n在多径环境中有许多反射和散射量 例：n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nMIMO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：n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分层空时结构nBLAST:为了充分利用MIMO的信道容量，G.J.Foschi

4、ni提出了分层空时结构（ BLAST： Bell-laboratories Layered Space-Time）n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。nBLAST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。分层空时结构nBLAST根据构造方式的不同，可以分为垂直结构（V-BLAST

5、：Vertical BLAST）和对角结构（D-BLAST：Diagonal BLAST）nV-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n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有关分层空时结构nD-BLASTnV-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。nD-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。D-BLAS

6、T能够达到Shannon容量的90%，但其运算极其复杂。分层空时结构nV-BLAST接收机结构：n简单接收机结构简单接收机结构：l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l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。lMMSE：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n串行消除串行消除：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n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。n种类

7、主要有：l空时格码（STTC：Space-Time Trellis Code）l空时分组码（STBC：Space-Time Block Code）n基本概念：l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 l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TN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。空时编码n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

8、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n例：两根天线，4-PSK，4状态的STTC空时编码n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。n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。

9、n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。空时编码n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。n空时分组码根据调制符号的实数、复数又可分为两种情况：n若调制符号为实数：比如BPSK、PAM调制，满数据

10、速率的NN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，n举例：N=2，4空时编码n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）n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n例：4根发射天线，数据速率为3/4空时编码n空时块码流程图分层空时结构与空时编码的比较n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

11、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；n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；n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。MIMO波束成型n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

12、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。n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n正交随机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。n例：首先构造M个随机正交的 单位波束矢量 ，与对应的训练符号 相乘得到总的发射信号以及灯功率分配用户i的接收信号分别为1M iw1Miiisxwis1MikjjijPysnMh wMIMO波束成型n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

13、束给选取用户传输信息nSINR定义:n迫零波束成型迫零波束成型：选择将干扰项置零的波束矢量实现零干扰， 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：n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2,2|iji jikkjSINRM Ph wh w1,.jM0kjh wjk 1()() ()() )HHW UH UH U H UMIMO-OFDMnOFDM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

14、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)MIMO-OFDMnOFDM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。n将OFDM与MIMO相结合l实现很高的数据传输速率l通过分集实现很高的

15、可靠性n关键技术l空时编解码和空频编解码l帧同步和载波频偏估计l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）l信道估计MIMO-OFDMn系统框图MIMO-OFDMn系统框图最新进展nMIMO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。n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。n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。n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一，3G

16、PP标准已将其作为MIMO技术中的一个重要提案最新进展ncdma2000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ncdma2000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n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n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。最新进展ncdma2000 前向链路中， 同样也采用空时扩频（STS）利用多天线码信息比特分离成奇偶两组子数据流 ，经过一定的形式变换之后，分别送到两根发送天线上进行发送。n发送的信号满足以下等式：nC1,C2为互正交码 下一步工作展望nMIMO已经成为无线通信的关键技术之一。在蜂窝移动通信领域