張文勝zhangwsh@zhang8181@SchoolofInformationScienceandEngineeringShandongUniversity第5章移動通信系統(tǒng)II.關(guān)鍵技術(shù)—MIMO通信系統(tǒng)概論2移動通信系統(tǒng)發(fā)展中的顛覆性技術(shù)移動通信系統(tǒng)每一次更新?lián)Q代都有顛覆性技術(shù)引領(lǐng)1G2G3G4G5G大區(qū)制到蜂窩，F(xiàn)DMA接入模擬到數(shù)字，TDMA接入單一話音到多媒體，CDMA接入OFDM-MIMO，空域資源利用？：頻譜，接入，組網(wǎng)容量話音業(yè)務(wù)和容量多媒體業(yè)務(wù)和容量高速高質(zhì)多媒體業(yè)務(wù)和容量容量，能耗，業(yè)務(wù)移動通信系統(tǒng)每一次更新?lián)Q代都解決了當(dāng)時(shí)的最主要需求31G：模擬蜂窩+FDMAPowerFrequencyTimeFDMA高功率（200－250w）的發(fā)射天線幾百甚至上千平方公里的范圍的覆蓋每個大區(qū)的可用信道數(shù)很少

蜂窩系統(tǒng)是一種革命性的變革提高了頻譜利用率和系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量FDMA：每個用戶占用一個頻率特點(diǎn)：以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)，以頻帶劃分小區(qū)頻率受限，需要嚴(yán)格的頻率規(guī)劃以頻道區(qū)分用戶地址大區(qū)制蜂窩最主要需求：系統(tǒng)容量42G：數(shù)字技術(shù)+TDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMA數(shù)字化技術(shù)，如數(shù)字語音編碼技術(shù)，是2G移動通信的主要突破

意義：

提高通話質(zhì)量（數(shù)字化＋信道編碼糾錯） 提高頻譜利用率（低碼率編碼） 提高系統(tǒng)容量（低碼率，語音激活技術(shù)）TDMA:每個用戶占用一個時(shí)隙，提高系統(tǒng)容量特點(diǎn)：以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)，小區(qū)內(nèi)以時(shí)隙區(qū)分用戶每個時(shí)隙傳輸一路數(shù)字信號，軟件對時(shí)隙動態(tài)配置最主要需求：高質(zhì)量話音，系統(tǒng)容量53G：Turbo碼+CDMATurbo碼90年代以前，主流的前向糾錯技術(shù)是線性分組碼和卷積碼，其性能與Shannon在1948年提出的理論可達(dá)限之間存在較大距離。1993年，C.Berrou等人提出了Turbo碼，徹底顛覆了所有人們認(rèn)為成功的糾錯碼所要具備的因素。在復(fù)雜度可控的譯碼器的協(xié)助下,達(dá)到了近Shannon限的性能。Turbo碼在3G的應(yīng)用，使得3G能夠支持多媒體業(yè)務(wù)，打破了2G只支持話音和短消息業(yè)務(wù)的局限。FrequencyCDMAPowerTimeCDMA：每個用戶使用一個碼型，頻率/時(shí)間共享特點(diǎn)每個碼傳輸一路數(shù)字信號每個用戶共享時(shí)間和頻率軟容量、軟切換，系統(tǒng)容量大最主要需求：多媒體業(yè)務(wù)，系統(tǒng)容量64G：OFDM-MIMO+空分多址SDMA最主要需求：高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)，更大系統(tǒng)容量6MIMO：多根發(fā)射天線與多根接收天線打破利用時(shí)、頻、碼三維資源傳輸數(shù)據(jù)的局限，有效開發(fā)了新的空域資源?；贛IMO的SDMA進(jìn)一步提高頻譜效率。OFDM：多個低速數(shù)據(jù)流同時(shí)調(diào)制在相互正交的子載波上傳送，適用于無線寬帶信道下的高速傳輸。與CDMA相比，OFDM傳送數(shù)據(jù)的速度更快，并且能夠更好地對抗無線傳輸環(huán)境中的多徑效應(yīng)。7提高容量——更高頻譜效率：多址接入多址技術(shù)是移動通信系統(tǒng)升級換代的核心之一1G：頻分多址（FDMA）2G：時(shí)分多址（TDMA）3G：碼分多址（CDMA）4G：空分多址（OFDMA+SDMA）4G以O(shè)FDM-MIMO為核心的OFDMA和SDMA具有很強(qiáng)的生命力新型無線接入的嘗試：非正交？？趨勢：單一資源到多維資源聯(lián)合使用,提高資源利用率頻率時(shí)間功率FDMA頻率時(shí)間功率TDMACDMA時(shí)間頻率功率1G2G3G4GMIMO(Multiple-InputMultiple-Output)即是多輸入多輸出技術(shù)，是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，信號通過發(fā)射端和接收端的多個天線傳送和接收，從而改善每個用戶的服務(wù)質(zhì)量（誤比特率或數(shù)據(jù)速率）。

MISO系統(tǒng)

SIMO系統(tǒng)

MIMO的技術(shù)特點(diǎn)點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有10~12bit/s/Hz

MIMO技術(shù)在室內(nèi)傳播環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到20~40bit/s/Hz傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動蜂窩中的頻譜效率僅為1~5bit/s/HzMIMO信道是在收發(fā)兩端使用多個天線，每個收發(fā)天線之間形成一個MIMO子信道，假定發(fā)送端存在nR個發(fā)送天線，接收端有nT個接收天線，系統(tǒng)框圖如圖所示：MIMO的基本原理MIMO的基本原理MIMO系統(tǒng)的信道用一個nR×nT的復(fù)數(shù)矩陣H描述，其中hij表示從第i個發(fā)送天線到第j個接收天線的信道衰落系數(shù)。

MIMO的基本原理

接收信號和噪聲可以分別用兩個nR×1的列向量y和n表示。n均值為0，功率為σ2。通過這樣一個線性模型，接收信號可以表示為

接收信號的功率可表示為MIMO的基本原理

對于分別配有nT

根發(fā)射天線和nR

根接收天線的MIMO信道，發(fā)射端在不知道傳輸信道的狀態(tài)信息條件下，如果信道的幅度固定，則信道容量可以表示為

式中的min為nT

和nR的最小數(shù)，?為信噪比，矩陣Q的定義如下：空時(shí)編碼空時(shí)塊編碼（STBC）空時(shí)格碼（STTC）分層空時(shí)碼（LST）

具有良好的分集增益。

不僅具有優(yōu)良的分集增益，還具有良好的編碼增益。可獲得較高的復(fù)用增益。

STBC編碼

空時(shí)塊編碼（STBC）能使MIMO系統(tǒng)獲得良好的分集增益，其本質(zhì)是將信號經(jīng)過正交編碼后由多根天線發(fā)送，由于經(jīng)過正交編碼后的信號相互獨(dú)立，所以在接收端可以很容易的將信號區(qū)別開來。在接收端只需進(jìn)行簡單的線性合并即可獲得發(fā)送信號。

STBC編碼

以雙天線為例，又稱為AlamoutiSTBC編碼器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。STBC編碼

信源發(fā)出的二進(jìn)制比特信息首先進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，調(diào)制為M=2m進(jìn)制的符號。然后AlamoutiSTBC編碼器選取連續(xù)的兩個符號，根據(jù)下式映射為發(fā)送信號矩陣。

STBC編碼

天線1發(fā)送信號矩陣X的第一行，天線2發(fā)送信號矩陣的第二行。AlamoutiSTBC是在時(shí)域和空域上進(jìn)行編碼。令天線1和天線2的發(fā)送信號矢量分別為

可以明顯地看出兩根天線發(fā)送的信號矢量是相互正交的，即STBC編碼相應(yīng)地，編碼矩陣的特征如下式所示：其中，I2是2×2的單位矩陣。

假設(shè)接收機(jī)采用單天線接收。天線1和2所發(fā)送的信號所經(jīng)歷的信道響應(yīng)系數(shù)分別為STBC編碼

在接收端，相鄰兩個符號周期接收到的信號可以表示為

其中，n1和n2

表示第一個符號和第二個符號所受到的加性白高斯噪聲的干擾。STBC譯碼

在接收端采用最大似然譯碼器進(jìn)行譯碼，其結(jié)構(gòu)如圖：

假設(shè)在接收端可以獲得理想的信道估計(jì)，且每個信號落到信號星座圖上的概率是等概的，則最大似然譯碼算法要求在信號星座圖上選擇一對信號來最小化與接收信號之間的歐氏距離，即STBC譯碼將代入可得最大似然譯碼準(zhǔn)則為

STBC譯碼MIMO的前景展望信道建模和信道容量

與傳播相關(guān)的研究方向

MIMO在未來網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

MIMO系統(tǒng)的信號設(shè)計(jì)和信號處理四大技術(shù)難點(diǎn)即研究熱點(diǎn)：

傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)向多天線系統(tǒng)演進(jìn)MIMO無線通信技術(shù)智能天線向多天線系統(tǒng)演進(jìn)MIMO的演進(jìn)MIMO技術(shù)的優(yōu)勢1.利用了多徑效應(yīng)，抵抗瑞利衰落2.提高信道容量（系統(tǒng)容量幾乎與天線數(shù)成正比）提高頻帶利用率空時(shí)編碼與OFDM技術(shù)大大提高頻帶利用率，室內(nèi)環(huán)境下可達(dá)20～40bps/Hz，而蜂窩移動通信系統(tǒng)中為1～5bps/HzOFDM頻譜空分復(fù)用與OFDM相輔相成

OFDM是一種高效的多載波調(diào)制技術(shù)，它能夠有效地對抗多徑傳播，從而可靠地接收受到干擾的信號。到目前為止，對于OFDM系統(tǒng)的研究已經(jīng)相當(dāng)深人，我們知道OFDM系統(tǒng)獨(dú)自對抗無線環(huán)境中的多徑衰落是不夠的，它必須和相應(yīng)的分集技術(shù)結(jié)合起來，才能更好地發(fā)揮其功效。因此我們可以將MIMO系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)結(jié)合起來，即構(gòu)成MIMOOFDM系統(tǒng)。3.高速無線傳輸（802.11n中采用MIMO技術(shù)，傳輸速率最高可達(dá)320Mbps）4.抗干擾能力強(qiáng)2.MIMO技術(shù)數(shù)據(jù)通過多重切割之后，經(jīng)過多重天線進(jìn)行同步傳送，為了避免發(fā)生干擾起見