mimo技术原理-PPT课件

高玉龙哈尔滨工业大学通信技术研究所MIMO技术基本知识CommunicationResearchCenter通信技术研究所MIMO技术原理MIMO空时编码MIMO信道模型MIMO信道容量主要内容1.MIMO技术原理无线通信的现状：频谱资源稀缺无线通信的要求：提高频谱利用率无线信道的特点：多径传统观点：多径衰落—抑制多径和对抗多径—信道编码，交织(时间分集)，频率分集—天线分集-智能天线多天线分集技术只是初步简单地利用了空域信息，而智能天线技术则比较充分地利用了空域信息。MIMO的观点：独立多径的利用1.MIMO技术原理１９０８年马可尼就提出用它来抗衰落；20世纪70年代提出提出将多入多出技术用于通信系统；20世纪90年代，AT&TBell实验室完成奠基性工作。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia提出对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法；1998年Wolniansky等人提出垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法，并建立了一个MIMO实验系统。1.MIMO技术原理12()()s(t)=()Tnststst空时编码数模转换射频前端Hsr射频前端模数转换空时解码数据数据11h12h1TnhRTnnh12()()n(t)=()Rnntntnt111212122212(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)TTRRRTnnnnnnhthththththtHthththt1.MIMO技术原理空时编码数模转换射频前端Hsr射频前端模数转换空时解码数据数据11h12h1TnhRTnnhr(t)=(,)s()n()HtttRHSN0,,2,,tTTMTMIMO技术原理MIMO空时编码MIMO信道模型MIMO信道容量主要内容2.MIMO的空时编码发射机接收机…………MIMO多天线技术空间复用技术(SM)空间分集技术(空时编码/分集接收)空时预编码技术(波束成形)复用增益分集增益/编码增益天线增益/干扰抑制折中折中提高数据速率/频谱效率减小差错率/提高可靠性提高数据速率/减小差错率MIMO系统实现空时编码提高的性能总述20世纪80年代Winters研究天线分集，提出空时编码概念；90年代Stanford大学的Raleigh和Cioffi以及瑞士ASCOM的Wittneben研究多天线的系统容量；1998年贝尔实验室Tarokh0等人于1998年率先提出了空时编码分层结构。目前，空时编码方法主要有分层空时码(LSTC)、空时网格码(STTC)、空时分组码(STBC)、酉空时码以及差分空时码等。2.MIMO的空时编码总述1996年，G.J.Foschini提出了对角结构分层空时结构（D-BLAST:Bell-laboratorieslayeredSpace-time）。1998年，Wolniansky等提出了垂直结构的分层空时码(V-BLAST)，是对D-BLAST的一种简化。2.MIMO的空时编码分层空时码-复用2.MIMO的空时编码分层空时码-复用S/P调制器调制器1txTntx交织器交织器编码器编码器…………空间交织DLST的一般结构2.MIMO的空时编码分层空时码-复用2.MIMO的空时编码分层空时码-复用S/P调制器调制器1txTntx……编码器交织器交织器S/P调制器调制器1txTntx交织器交织器编码器编码器……V-LST的两种结构2.MIMO的空时编码分层空时码-复用2.MIMO的空时编码空时分组码-分集空时编码就是将空域上的发送分集和时域上的信道编码相结合的联合编码技术。空时编码的概念是J.H.Winter于1987年提出的。空时分组码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，实际上是一种空域和时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。空时格码（STTC：Space-TimeTrellisCode）空时分组码（STBC：Space-TimeBlockCode）AlamoutiSTBC编码在这种编码方案中，每组m比特信息首先调制为M=2m进制符号。然后编码器选取连续的两个符号，根据下述变换将其映射为发送信号矩阵。天线1发送信号矩阵的第一行，而天线2发送信号矩阵的第二行。编码器结构如下图所示。*12*21xxxxX2.MIMO的空时编码空时分组码-分集由图可知，Alamouti空时编码是在空域和时域上进行编码。令天线1和2的发送信号向量分别为：这种空时编码的关键思想在于两个天线发送的信号向量相互正交。信源调制器编码器*1212*21[,]xxxxxx时域空域Tx1Tx21*12[,]xxx2*21[,]xxxAlamouti空时块编码器结构1*2*1221,,,xxxxxx2.MIMO的空时编码空时分组码-分集MIMO技术原理MIMO空时编码MIMO信道模型MIMO信道容量主要内容3.MIMO的信道模型无线电波传播3.MIMO的信道模型无线通信中的电波传播发生在光滑的、远大于波长的介质表面，如平坦的陆地、海面、建筑物和墙壁等物体的表面。3.MIMO的信道模型无线电波反射当接收机和发射机之间的无线路径被物体的边缘阻挡时发生绕射。绕射使得无线电信号能够传播到阻挡物后面。3.MIMO的信道模型无线电波绕射当电磁波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射散射波产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。在实际通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引发散射。3.MIMO的信道模型无线电波散射陆地无线电波传播极其复杂，存在直射、反射、绕射和散射等多种传播方式和多径，有时会引起严重的信号衰落。基站发出的无线电信号的传播路径损耗受地面地形地物的影响很大，基站越高信号传得越远。无线电波传播还和频率相关，频率越高，传播路径损耗越大，绕射能力越弱，传播的距离也越近。3.MIMO的信道模型无线通信信号特点小尺度衰落3.MIMO的信道模型无线通信信号特点通常认为相位符合均匀分布，幅度根据不同的场景符合Rayleigh分布，Ricean分布，对数正太分布，Nakagami分布。中尺度衰落3.MIMO的信道模型无线通信信号特点描述阴影衰落，变化趋向于正态（高斯）分布，通常称为对数正态衰落。大尺度衰落3.MIMO的信道模型无线通信信号特点描述由距离引起的信号的衰减，中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比变化。3.MIMO的信道模型无线通信信号特点1(,)(,)exp[2()()][()]Liciiihttjfftt3.MIMO的信道模型SISO冲激响应信道模型111h(,)[(,)(,)(,)]a(,)exp[2()()][()]RTnLiiiciiithththtjfftt1a(,)[1,,]RTnaa3.MIMO的信道模型SIMO冲激响应信道模型陈列操纵矢量（陈列机构和达波角的函数）第m个分量为111h(,)[(,)(,)(,)]a(,)exp[2()()][()]RTnLiiiciiithththtjfftt1a(,)[1,,]RTnaa3.MIMO的信道模型MISO冲激响应信道模型陈列操纵矢量（陈列机构和去波角的函数）第m个分量为111212122212(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)TTRRRTnnnnnnhthththththtHthththt3.MIMO的信道模型MIMO冲激响应信道模型(,)mnht表示第n副发射天线和第m副接收天线之间的SISO子信道的冲激响应。多径散射分布采用功率方位角谱(PAS)(角谱分布)描述，主要受传播环境影响，如宏观传播环境(市区、郊区或乡村)，局部传播环境(室内、过道或室外)，天线架设高度，终端运动速度等。常用的角谱分布有余弦分布，均匀分布，高斯分布(GSM)，拉氏分布(DCS1800)。散射角度扩展散射的分散程度，决定了信号的可分离性。3.MIMO的信道模型MIMO无线信道空间特征平均达波角与平均去波角在很多研究中，都假定平均达波方向与平均去波方向垂直阵列轴线，而忽略其他方向。实际上，平均达波角与平均去波角对信道空间特征的影响是不可忽略的，平均达波与去波偏离阵列法线方向将导致多径信号的相关性增强，可分离性降低，信道性能下降。收发天线配置多天线单元的方向图、增益、极化、间距、互藕、空间布局等因素。多普勒扩展收发间的相对运动或散射体的运动引起3.MIMO的信道模型MIMO无线信道空间特征单环模型，改进的单环模型，离散均匀模型，几何单反射统计信道模型，高斯广义平稳非相关散射模型，高斯达波角模型，时变向量信道模型，抽头延迟线模型等。3.MIMO的信道模型MIMO空间信道模型物理模型收发天线件电磁波的双向多径传播特性，借助物理参数描述MIMO信道特征与散射分布：达波角AOA、去波角AOD、达波时间TOA。分析模型同时考虑电磁波的传播特性和天线配置描述收发天线间的信道冲激响应。信道系数在空间和时间上是相关的随机过程。3.MIMO的信道模型MIMO信道模型总述物理模型思路：明确建筑物和自然界物体的精确位置，大小和分布。分类：确定性信道模型，基于几何随机信道模型和非几何随机信道模型。分析模型思路：数学分析方法描述收发天线间的信道冲激响应，而不需要明确电磁传播特性。通过信道矩阵。分类：传播驱动模型和基于相关法模型。3.MIMO的信道模型MIMO信道模型总述要求：散射足够丰富，天线间距足够大；特征：各子信道统计上几乎独立，并且相同分布。矩阵元素独立同分布，均值为0，方差为1的复高斯分布。矩阵满秩。111212122212(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)TTRRRTnnnnnnhthththththtHthththt3.MIMO的信道模型MIMO独立同分布高斯信道模型0(,)()()jijihtht基于1.71GHz与2.05GHz下，J.P.Kermoal提出基于功率相关矩阵的随机信道模型。111212122212(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)TTRRRTiiniiiniiinininnihthththththtHHthththt1()-LiiiHH（）3.MIMO的信道模型ISTMETRA随机信道模型1()-LiiiHH（）3