第5章4移动通信系统-关键技术2MIMO

张文胜zhangwsh@zhang8181@SchoolofInformationScienceandEngineeringShandongUniversity第5章移动通信系统II.关键技术—MIMO通信系统概论2移动通信系统发展中的颠覆性技术移动通信系统每一次更新换代都有颠覆性技术引领1G2G3G4G5G大区制到蜂窝，FDMA接入模拟到数字，TDMA接入单一话音到多媒体，CDMA接入OFDM-MIMO，空域资源利用？：频谱，接入，组网容量话音业务和容量多媒体业务和容量高速高质多媒体业务和容量容量，能耗，业务移动通信系统每一次更新换代都解决了当时的最主要需求31G：模拟蜂窝+FDMAPowerFrequencyTimeFDMA高功率（200－250w）的发射天线几百甚至上千平方公里的范围的覆盖每个大区的可用信道数很少

蜂窝系统是一种革命性的变革提高了频谱利用率和系统的服务质量FDMA：每个用户占用一个频率特点：以频率复用为基础，以频带划分小区频率受限，需要严格的频率规划以频道区分用户地址大区制蜂窝最主要需求：系统容量42G：数字技术+TDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMA数字化技术，如数字语音编码技术，是2G移动通信的主要突破

意义：

提高通话质量（数字化＋信道编码纠错） 提高频谱利用率（低码率编码） 提高系统容量（低码率，语音激活技术）TDMA:每个用户占用一个时隙，提高系统容量特点：以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置最主要需求：高质量话音，系统容量53G：Turbo码+CDMATurbo码90年代以前，主流的前向纠错技术是线性分组码和卷积码，其性能与Shannon在1948年提出的理论可达限之间存在较大距离。1993年，C.Berrou等人提出了Turbo码，彻底颠覆了所有人们认为成功的纠错码所要具备的因素。在复杂度可控的译码器的协助下,达到了近Shannon限的性能。Turbo码在3G的应用，使得3G能够支持多媒体业务，打破了2G只支持话音和短消息业务的局限。FrequencyCDMAPowerTimeCDMA：每个用户使用一个码型，频率/时间共享特点每个码传输一路数字信号每个用户共享时间和频率软容量、软切换，系统容量大最主要需求：多媒体业务，系统容量64G：OFDM-MIMO+空分多址SDMA最主要需求：高质量多媒体业务，更大系统容量6MIMO：多根发射天线与多根接收天线打破利用时、频、码三维资源传输数据的局限，有效开发了新的空域资源。基于MIMO的SDMA进一步提高频谱效率。OFDM：多个低速数据流同时调制在相互正交的子载波上传送，适用于无线宽带信道下的高速传输。与CDMA相比，OFDM传送数据的速度更快，并且能够更好地对抗无线传输环境中的多径效应。7提高容量——更高频谱效率：多址接入多址技术是移动通信系统升级换代的核心之一1G：频分多址（FDMA）2G：时分多址（TDMA）3G：码分多址（CDMA）4G：空分多址（OFDMA+SDMA）4G以OFDM-MIMO为核心的OFDMA和SDMA具有很强的生命力新型无线接入的尝试：非正交？？趋势：单一资源到多维资源联合使用,提高资源利用率频率时间功率FDMA频率时间功率TDMACDMA时间频率功率1G2G3G4GMIMO(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）。

MISO系统

SIMO系统

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/HzMIMO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。

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σ2。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，ς为信噪比，矩阵Q的定义如下：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。

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。

STBC编码

以双天线为例，又称为AlamoutiSTBC编码器，其结构如下图所示。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。

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。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：

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译码将代入可得最大似然译码准则为

STBC译码MIMO的前景展望信道建模和信道容量

与传播相关的研究方向

MIMO在未来网络中的应用

MIMO系统的信号设计和信号处理四大技术难点即研究热点：

传统单天线系统向多天线系统演进MIMO无线通信技术智能天线向多天线系统演进MIMO的演进MIMO技术的优势1.利用了多径效应，抵抗瑞利衰落2.提高信道容量（系统容量几乎与天线数成正比）提高频带利用率空时编码与OFDM技术大大提高频带利用率，室内环境下可达20～40bps/Hz，而蜂窝移动通信系统中为1～5bps/HzOFDM频谱空分复用与OFDM相辅相成

OFDM是一种高效的多载波调制技术，它能够有效地对抗多径传播，从而可靠地接收受到干扰的信号。到目前为止，对于OFDM系统的研究已经相当深人，我们知道OFDM系统独自对抗无线环境中的多径衰落是不够的，它必须和相应的分集技术结合起来，才能更好地发挥其功效。因此我们可以将MIMO系统和OFDM系统结合起来，即构成MIMOOFDM系统。3.高速无线传输（802.11n中采用MIMO技术，传输速率最高可达320Mbps）4.抗干扰能力强2.MIMO技术数据通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，为了避免发生干扰起见