多入多出MIMO技术.ppt

3.9 多入多出 (MIMO)技术 3.9.1 MIMO技术原理 3.9.2 MIMO技术的应用方案 MIMO（Multiple Input-Multiple output）即多入多出技术，是无线通信领域智能天线技术的重大突破，它扩展了一维智能天线技术，具有极高的频谱利用率，能在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量，且信道可靠性大为增强，是新一代无线通信系统（即所谓的Beyond 3G/4G）采用的核心技术之一。目前，世界各国学者都在对MIMO的理论、性能、算法和实现等各方面进行着广泛的研究，MIMO技术已成为通信技术发展中最为炙手可热的课题。 MIMO是指信号系统发射端和接收端，分别使用了多个发射天线和接收天线，因而该技术被称为多发送天线和多接收天线（简称多入多出）技术，它可看着是分集技术的一种衍生。 在实际的通信环境中，信号往往是通过周围物体的多次反射和散射才到达接收天线的，这被称为径，信号的多径传送会产生多径干扰，从而引起信号的衰落，因而一直被认为是不利信号准确传输的有害因素。克服的方法是采用分集的方法——它含有“分散”和“集合”二重含义，一方面它将载有相同信息的几路信号通过相对独立的途径（利用多发射天线）分散传输，另一方面设法将分散传输到接收点的几路信号最有效地收集起来（利用多接收天线），因为安排恰当的多副天线提供的多个空间信道，不会全部同时受到衰落，因此有降低信号电平的衰落幅度的作用，具有优化接收的含义。 3.9.1 MIMO技术原理 MIMO技术的实质是为系统提供了空间复用增益和空间分集增益。 信号在传送中遇到物体发生反射和散射，产生多条路径，MIMO技术将这些路径变为传送信息子流的“虚拟信道”。在接收端可用单一天线，也可用多个天线进行接收，当然每个接收天线接收到的是所有发送信号与干扰信号的叠加，MIMO的空时解码系统利用数学算法拆开和恢复纠缠在一起的传输信号并将它们正确地识别出来。 空 时 编 码 信 宿 发射天线 空 时 编 码 接收天线 天 线 阵 C1(K) R1(K) CM(K) RM(K) 信 源 SI(K) 图3-37 MIMO系统原理 MIMO系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个通道，如图3-37所示。 传输信息流S（k）经过空时编码形成M个信息子流 ，这M个子流由M个天线发送出去，经空间信道后由N个接收天线接收，多天线接收机能够利用先进的空时编码处理技术分开并解码这些数据子流，从而实现最佳处理。MIMO是在收发两端使用多个天线，每个收发天线之间对应一个MIMO子信道，在收发天线之间形成 信道矩阵H，在某一时刻t，信道矩阵如（式3-34）所示。 （式3-34） 其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益。 M个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一个频带，因而并未增加带宽。若各发射天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行的信道独立传输信息，必然可以提高数据传输速率。对于信道矩阵参数确定的MIMO信道，假定发射端总的发射功率为P，与发送天线的数量M无关；接收端的噪声用 矩阵n表示，其元素是独立的零均值高斯复数变量，各个接收天线的噪声功率均为 ；ρ为接地端平均信噪比。此时，发射信号是M维统计独立，能量相同，高斯分布的复向量。发射功率平均分配到每一个天线上，则容量公式为： （式3-35） 固定N，令M增大，使得 ，这时可以获得到容 量的近似表达式： det代表行列式， 代表M维单位矩阵， 表示的共扼转 置。 从上式可以看出，此时的信道容量随着天线数的增加而 线性增大。即可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量， 在不