多入多出(MIMO)技術(shù)

1、3.9 多入多出 (MIMO)技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo) 掌握多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）的基本原理 掌握多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）的核心技術(shù)與應(yīng)用方案3.9 多入多出 (MIMO)技術(shù) MIMO（Multiple Input-Multiple output）即多入多出技術(shù)，是無線通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破，它擴(kuò)展了一維智能天線技術(shù)，具有極高的頻譜利用率，能在不增加帶寬的情況下成倍提高通信系統(tǒng)的容量，且信道可靠性大為增強(qiáng)，是新一代無線通信系統(tǒng)（即所謂的Beyond 3G/4G）采用的核心技術(shù)之一。目前，世界各國學(xué)者都在對MIMO的理論、性能、算法和實(shí)現(xiàn)等各方面進(jìn)行著廣泛的研究，MIMO技術(shù)已成為通信技

2、術(shù)發(fā)展中最為炙手可熱的課題。 MIMO是指信號系統(tǒng)發(fā)射端和接收端，分別使用了多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，因而該技術(shù)被稱為多發(fā)送天線和多接收天線（簡稱多入多出）技術(shù)，它可看著是分集技術(shù)的一種衍生。 在實(shí)際的通信環(huán)境中，信號往往是通過周圍物體的多次反射和散射才到達(dá)接收天線的，這被稱為徑，信號的多徑傳送會(huì)產(chǎn)生多徑干擾，從而引起信號的衰落，因而一直被認(rèn)為是不利信號準(zhǔn)確傳輸?shù)挠泻σ蛩??？朔姆椒ㄊ遣捎梅旨姆椒ㄋ小胺稚ⅰ焙汀凹稀倍睾x，一方面它將載有相同信息的幾路信號通過相對獨(dú)立的途徑（利用多發(fā)射天線）分散傳輸，另一方面設(shè)法將分散傳輸?shù)浇邮拯c(diǎn)的幾路信號最有效地收集起來（利用多接收天線），因?yàn)榘才徘‘?dāng)

3、的多副天線提供的多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)受到衰落，因此有降低信號電平的衰落幅度的作用，具有優(yōu)化接收的含義。 3.9.1 MIMO3.9.1 MIMO技術(shù)原理技術(shù)原理 MIMO技術(shù)的實(shí)質(zhì)是為系統(tǒng)提供了空間復(fù)用增益和空間分集增益。 信號在傳送中遇到物體發(fā)生反射和散射，產(chǎn)生多條路徑，MIMO技術(shù)將這些路徑變?yōu)閭魉托畔⒆恿鞯摹疤摂M信道”。在接收端可用單一天線，也可用多個(gè)天線進(jìn)行接收，當(dāng)然每個(gè)接收天線接收到的是所有發(fā)送信號與干擾信號的疊加，MIMO的空時(shí)解碼系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)算法拆開和恢復(fù)糾纏在一起的傳輸信號并將它們正確地識別出來。空時(shí)編碼信宿發(fā)射天線空時(shí)編碼接收天線天線陣C1(K)R1(K)CM(K)RM

4、(K)信源SI(K)圖3-37 MIMO系統(tǒng)原理 MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多個(gè)天線和多個(gè)通道，如圖3-37所示。 傳輸信息流S（k）經(jīng)過空時(shí)編碼形成M個(gè)信息子流 ，這M個(gè)子流由M個(gè)天線發(fā)送出去，經(jīng)空間信道后由N個(gè)接收天線接收，多天線接收機(jī)能夠利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理技術(shù)分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳處理。MIMO是在收發(fā)兩端使用多個(gè)天線，每個(gè)收發(fā)天線之間對應(yīng)一個(gè)MIMO子信道，在收發(fā)天線之間形成 信道矩陣H，在某一時(shí)刻t，信道矩陣如（式3-34）所示。 （式3-34） 其中H的元素是任意一對收發(fā)天線之間的增益。iC ( ),1,2,.,k iMMN1,12,1,11,22,2,2

5、1,2,.( ). .tttMtttMtttNNM NhhhhhhH thhh M個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一個(gè)頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過這些并行的信道獨(dú)立傳輸信息，必然可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。對于信道矩陣參數(shù)確定的MIMO信道，假定發(fā)射端總的發(fā)射功率為P，與發(fā)送天線的數(shù)量M無關(guān)；接收端的噪聲用 矩陣n表示，其元素是獨(dú)立的零均值高斯復(fù)數(shù)變量，各個(gè)接收天線的噪聲功率均為 ；為接地端平均信噪比。此時(shí)，發(fā)射信號是M維統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，能量相同，高斯分布的復(fù)向量。發(fā)射功率平均分配到每一個(gè)天線上，則容量公式為： （式3-35）1N

6、2)det(log2HNHHMIC 固定N，令M增大，使得 ，這時(shí)可以獲得到容量的近似表達(dá)式： det代表行列式， 代表M維單位矩陣， 表示的共扼轉(zhuǎn)置。 從上式可以看出，此時(shí)的信道容量隨著天線數(shù)的增加而線性增大。即可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高，充分展現(xiàn)了MIMO技術(shù)的巨大優(yōu)越性。H1NHHIM)1 (log2 NCNIHH（式3-36）3.9.2 MIMO3.9.2 MIMO技術(shù)的應(yīng)用方案技術(shù)的應(yīng)用方案 前面分析指出MIMO技術(shù)優(yōu)勢明顯，但對頻率選擇性衰落無能為力，而OFDM技術(shù)卻有很強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落的能力。因此將

7、兩種技術(shù)有效整合，便成為最佳的實(shí)用方案，如圖3-38所示。圖中，數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次串并轉(zhuǎn)換。首先將數(shù)據(jù)分成N個(gè)并行數(shù)據(jù)流，將這N個(gè)數(shù)據(jù)流中的第n（n 1，N）個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行第二次串并轉(zhuǎn)換成 L個(gè)并行數(shù)據(jù)流，分別對應(yīng)L個(gè)子載波，接著對這L個(gè)并行數(shù)據(jù)流進(jìn)行IFFT變換，再將信號從頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，然后從第 n（n 1，N）個(gè)天線上發(fā)送出去。這樣共有NL個(gè)M-QAM（正交振幅調(diào)制）符號被發(fā)送。整個(gè)MIMO系統(tǒng)假定具有N個(gè)發(fā)送天線，M個(gè)接收天線。在接收端第m（m 1，M）個(gè)天線接收到的第l（l 1，L）個(gè)子載波的接收信號為： （l=1，.，L） （式3-37） 其中 是第l個(gè)子載波頻率上的從第n個(gè)發(fā)送天線到第m

8、個(gè)接收天線之間的信道矩陣，并且假定該信道矩陣在接收端是已知的， 是第l個(gè)子載波頻率上的從第n個(gè)發(fā)送天線發(fā)送的符號， 是第l個(gè)子載波頻率上的從第m個(gè)接收天線接收到的高斯白噪聲。這樣在接收端接收到的第l個(gè)子載波頻率上的N個(gè)符號可以通過V-BLAST算法進(jìn)行解譯碼，重復(fù)進(jìn)行L 次以后，NL個(gè)M-QAM符號就可以被恢復(fù)出來。, ,1Nm lm n ln lm lnrHC, ,m n lH,n lC,m l信源二進(jìn)制信號映 射（M-QAM）S/P1至N12NS/P1至LS/P1至LS/P1至L12LOFDM調(diào) 制12LOFDM調(diào) 制12LOFDM調(diào) 制圖3-39 MIMO+OFDM實(shí)現(xiàn)框圖 MIMO+OFDM系統(tǒng)，