張文勝zhangwsh@zhang8181@SchoolofInformationScienceandEngineeringShandongUniversity第5章移動通信系統II.關鍵技術—MIMO通信系統概論2移動通信系統發展中的顛覆性技術移動通信系統每一次更新換代都有顛覆性技術引領1G2G3G4G5G大區制到蜂窩，FDMA接入模擬到數字，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，組網容量話音業務和容量多媒體業務和容量高速高質多媒體業務和容量容量，能耗，業務移動通信系統每一次更新換代都解決了當時的最主要需求31G：模擬蜂窩+FDMAPowerFrequencyTimeFDMA高功率（200－250w）的發射天線幾百甚至上千平方公里的范圍的覆蓋每個大區的可用信道數很少

蜂窩系統是一種革命性的變革提高了頻譜利用率和系統的服務質量FDMA：每個用戶占用一個頻率特點：以頻率復用為基礎，以頻帶劃分小區頻率受限，需要嚴格的頻率規劃以頻道區分用戶地址大區制蜂窩最主要需求：系統容量42G：數字技術+TDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMA數字化技術，如數字語音編碼技術，是2G移動通信的主要突破

意義：

提高通話質量（數字化＋信道編碼糾錯） 提高頻譜利用率（低碼率編碼） 提高系統容量（低碼率，語音激活技術）TDMA:每個用戶占用一個時隙，提高系統容量特點：以頻率復用為基礎，小區內以時隙區分用戶每個時隙傳輸一路數字信號，軟件對時隙動態配置最主要需求：高質量話音，系統容量53G：Turbo碼+CDMATurbo碼90年代以前，主流的前向糾錯技術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為成功的糾錯碼所要具備的因素。在復雜度可控的譯碼器的協助下,達到了近Shannon限的性能。Turbo碼在3G的應用，使得3G能夠支持多媒體業務，打破了2G只支持話音和短消息業務的局限。FrequencyCDMAPowerTimeCDMA：每個用戶使用一個碼型，頻率/時間共享特點每個碼傳輸一路數字信號每個用戶共享時間和頻率軟容量、軟切換，系統容量大最主要需求：多媒體業務，系統容量64G：OFDM-MIMO+空分多址SDMA最主要需求：高質量多媒體業務，更大系統容量6MIMO：多根發射天線與多根接收天線打破利用時、頻、碼三維資源傳輸數據的局限，有效開發了新的空域資源。基于MIMO的SDMA進一步提高頻譜效率。OFDM：多個低速數據流同時調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傳送數據的速度更快，并且能夠更好地對抗無線傳輸環境中的多徑效應。7提高容量——更高頻譜效率：多址接入多址技術是移動通信系統升級換代的核心之一1G：頻分多址（FDMA）2G：時分多址（TDMA）3G：碼分多址（CDMA）4G：空分多址（OFDMA+SDMA）4G以OFDM-MIMO為核心的OFDMA和SDMA具有很強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合使用,提高資源利用率頻率時間功率FDMA頻率時間功率TDMACDMA時間頻率功率1G2G3G4GMIMO(Multiple-InputMultiple-Output)即是多輸入多輸出技術，是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，信號通過發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質量（誤比特率或數據速率）。

MISO系統

SIMO系統

MIMO的技術特點點到點的固定微波系統中也只有10~12bit/s/Hz

MIMO技術在室內傳播環境下的頻譜效率可以達到20~40bit/s/Hz傳統無線通信技術在移動蜂窩中的頻譜效率僅為1~5bit/s/HzMIMO信道是在收發兩端使用多個天線，每個收發天線之間形成一個MIMO子信道，假定發送端存在nR個發送天線，接收端有nT個接收天線，系統框圖如圖所示：MIMO的基本原理MIMO的基本原理MIMO系統的信道用一個nR×nT的復數矩陣H描述，其中hij表示從第i個發送天線到第j個接收天線的信道衰落系數。

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

根發射天線和nR

根接收天線的MIMO信道，發射端在不知道傳輸信道的狀態信息條件下，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，?為信噪比，矩陣Q的定義如下：空時編碼空時塊編碼（STBC）空時格碼（STTC）分層空時碼（LST）

具有良好的分集增益。

不僅具有優良的分集增益，還具有良好的編碼增益。可獲得較高的復用增益。

STBC編碼

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

STBC編碼

以雙天線為例，又稱為AlamoutiSTBC編碼器，其結構如下圖所示。STBC編碼

信源發出的二進制比特信息首先進行數字調制，調制為M=2m進制的符號。然后AlamoutiSTBC編碼器選取連續的兩個符號，根據下式映射為發送信號矩陣。

STBC編碼

天線1發送信號矩陣X的第一行，天線2發送信號矩陣的第二行。AlamoutiSTBC是在時域和空域上進行編碼。令天線1和天線2的發送信號矢量分別為

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

假設接收機采用單天線接收。天線1和2所發送的信號所經歷的信道響應系數分別為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行譯碼，其結構如圖：

假設在接收端可以獲得理想的信道估計，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

與傳播相關的研究方向

MIMO在未來網絡中的應用

MIMO系統的信號設計和信號處理四大技術難點即研究熱點：

傳統單天線系統向多天線系統演進MIMO無線通信技術智能天線向多天線系統演進MIMO的演進MIMO技術的優勢1.利用了多徑效應，抵抗瑞利衰落2.提高信道容量（系統容量幾乎與天線數成正比）提高頻帶利用率空時編碼與OFDM技術大大提高頻帶利用率，室內環境下可達20～40bps/Hz，而蜂窩移動通信系統中為1～5bps/HzOFDM頻譜空分復用與OFDM相輔相成

OFDM是一種高效的多載波調制技術，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系統的研究已經相當深人，我們知道OFDM系統獨自對抗無線環境中的多徑衰落是不夠的，它必須和相應的分集技術結合起來，才能更好地發揮其功效。因此我們可以將MIMO系統和OFDM系統結合起來，即構成MIMOOFDM系統。3.高速無線傳輸（802.11n中采用MIMO技術，傳輸速率最高可達320Mbps）4.抗干擾能力強2.MIMO技術數據通過多重切割之后，經過多重天線進行同步傳送，為了避免發生干擾起見