MIMO技术教案
浅谈mimo技术PPT课件
一、MIMO技术简介 二、基本原理 三、空时编码 四、应用及展望
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MIMO的基本原理
MIMO信道是在收发两端使用多个天线，每个 收发天线之间形成一个MIMO子信道，假定发送端 存在nR个发送天线，接收端有nT个接收天线，系统 框图如图所示：
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MIMO的基本原理 在系统的每一个符号周期内，发送信号可以用一个nT×1 的列向量x =[x1 x2 ⋅⋅⋅xi ⋅⋅⋅xnT ]T表示，其中xi表示在第i 个天线上发送的数据。发送 信号的协方差可以表示为
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MIMO的发展历史
至2010年年底，IEEE数据库收录 该领域的研究论文已达上万篇，从 MIMO无线通信技术的理论研究到实验 验证，再到商用化的各个方面。目前， 国际上很多科研院校与商业机构都争 相对MIMO通信技术进行深入研究。
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MIMO的技术特点
采用空时处理技术进行信号处理，在 不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统 的容量和频谱利用率 ，使得系统能在有限 的无线频带下传输更高速率的数据业务。
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MISO系统
SIMO系统
第来抗 衰落。在70年代有人提出将多入多出技 术用于通信系统，但是对无线移动通信 系统多入多出技术产生巨大推动的奠基 工作则是由AT&TBell实验室学者完成的。
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MIMO的发展历史
接收端取得的总信噪比为nRς，此时等效的单天线系统与原来纯粹的 单天线系统相比，获得了nR 倍的分集增益，信道容量表示为
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MIMO的基本原理
（2）正交传输信道的MIMO系统
对于正交传输的MIMO系统，即多根天线构成的并行子信道相互正交， 单个子信道之间不存在相互干扰。为方便起见，假定收发两端的天线数相 等（nR ＝ nT ＝ L），信道矩阵可以表示为：
MIMO多天线技术解读PPT课件
-
Pecc SNRr M
30
分集增益和编码增益
A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications IEEE JOURNAL ON SELECT AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 16, NO. 8, OCTOBER 1998
地进行编码、调制，映射到多条发射天线上。在接 收端，采用特殊的处理技术，将这些一起到达接收 天线的信号分离，然后送到相应的解码器。 ❖ 缺点：无法实现分集，性能相对较差。可认为是一 种空间复用技术。 ❖ 优点：速率随发送天线数线性增加。 ❖ 与接近信道容量的二进制编码方式（如卷积码、 Turbo码）联合使用将是一种较好的应用方式。
CmWlog(1MPTT2) ❖其中， mmin(MT,NR)
-
17
MIMO的系统容量
30
CMIM lOo2d geInrt (ntE N a0HH )
25
20
信信信信 (bits/channel)
15
E.Teletar,1995,”Capacity of Multi-
Antenna Gaussian channels”
yUDVHxn
令 y U H y x V H x n U Hn
则 yDxn
-
11
MIMO的系统容量分析
❖ 矩阵HHH的非零特征值数目m等于矩阵H的秩r。 对于MR×MT矩阵H，其秩最大为 rmin(MR,MT) 即H的非零奇异值最多有m个。
❖用 i (i1,2, r) 表示H的奇异值，则
yi i xini (i=1,2, r)
《MIMO及信道模型》课件
MIMO技术的应用场景
MIMO技术广泛应用于无线通信系统，如4G、5G移 动通信系统、无线局域网（WLAN）、无线个人域网
（WPAN）等。
输标02入题
在4G和5G移动通信系统中，MIMO技术被用于提高 小区的覆盖范围和边缘用户的传输速率，同时也可以 提高系统的整体吞吐量。
01
03
以上内容仅供参考，具体内容可以根据您的需求进行 调整优化。
MIMO技术利用了无线信道的散射和 反射特性，通过空间复用和分集增益 ，提高了无线通信系统的传输速率和 可靠性。
MIMO技术的原理
MIMO技术的基本原理是利用多天线之间的独立性，将数据流分解成多个并行子流，在多个子流上同时传输，从而提高了传 输速率。
在接收端，多个天线接收到的信号经过处理后，可以恢复出原始的数据流。MIMO技术通过信号处理算法实现信号的分离和 合并，从而提高了信号的抗干扰能力和传输可靠性。
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天线选择
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最大信噪比 (Max-SNR): 选择能提供最大信噪比的发射天 线。
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轮询 (Round Robin): 轮流使用每个天线进行传输，确保 均衡使用。
05
CHAPTER
MIMO系统实现难点及挑战
信号处理复杂度
MIMO信号检测算法复杂度
考虑了信号在传播过程中因反射、折射和散射产生的多径 效应，适用于室内和室外非视距（NLoS）环境。
MIMO信道模型的特点
高数据速率
通过在发射端和接收端使用多个天线，提高 了数据传输速率。
抗干扰能力强
通过分集技术，降低了信号被干扰的风险。
频谱效率高
通过空间复用技术，提高了频谱利用率。
MIMO课程设计
OFDM通信系统仿真设计姓名:谷兆祥学号:1301120498专业:电子与通信工程导师:卢小峰学院:通信工程学院OFDM 通信系统仿真设计摘要：OFDM 技术具有频谱利用率高,抗马健干扰能力强,抗频率选择性衰落和窄带干扰能力强等特点。
本文对OFDM 的基本原理进行了说明，同时对OFDM 的关键技术PARR 抑制算法进行了详细的讨论，然后说明了同步算法。
在理论研究的基础上，设计了一个OFDM 通信仿真系统，给出了具体的参数，并利用matlab 进行了仿真，得出了不同的SNR 下的误码情况。
关键词：OFDM ；MATLAB ；PARR ；同步；IFFT1、引言OFDM 的全称为Orthogonal Frequency-Division Multiplexing ，意为正交频分复用。
OFDM 把数据分解成为若干个独立的子比特流，每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号并行的传输系统。
OFDM 具有频谱利用率高，抗码间干扰能力强，抗频率选择性衰落和窄带干扰能力强等特点得到广泛应用。
本文首先介绍了OFDM 的基本原理，然后对其中关键技术同步和见底峰值平均功率比的算法进行了讨论，最后设计了OFDM 通信系统，并进行了仿真分析。
2、OFDM 系统的基本原理以QAM —OFDM 调制进行OFDM 的原理进行讲解：子载波采用MQAM 调制时，产生OFDM 基带信号的原理见图2.1所示。
速率为b R 的二进制数据经过串并转换成为N 路速率b R N 的子数据流，每个子数据流通过各自的子载波进行MQAM 调制，然后一起发送。
若QAM 的禁止数是M ，则每个子载波上的符号速率是2log s RR N M =，子载波间隔是1s sf R T ∆==。
图2.1 产生QAM-OFDM 基带信号的原理框图在[0,s T ]时间内，第i 个子载波上的已调的QAM 信号能够表示为(){}(){}22()()cos(2)()sin(2)Re Re c s i cs i c i i i i i j f ti i j f t i s t A g t f t A g t f t A jA g t e A g t e ππππ=-⎡⎤=+⎣⎦=（2.1）其中，c si i i A A A =+是发送的QAM 符号的星座点，ci A 、si A 分别是其同相分量（I 路）和正交分量（Q 路）；i c c s if f i f f T =+∆=+是第i 路的载波频率，i=0，1，…，N-1；()g t 是脉冲成形滤波器的冲激响应，假设它为矩形脉冲。
移动通信原理第十二章MIMO空时处理技术
实现高性能的MIMO系统需要高精度的硬 件设备，这可能会增加系统的成本和功耗。
05 MIMO空时处理技术的应 用实例
无线局域网（WLAN）
总结词
无线局域网（WLAN）是MIMO空时处理技术的重要应用领域 之一。
详细描述
在WLAN中，MIMO技术通过在发送端和接收端使用多个天 线，实现了更高的数据传输速率和更可靠的通信性能。 MIMO技术能够有效地抵抗多径衰落和干扰，提高无线信号 的覆盖范围和稳定性。
挑战
信道状态信息获取
MIMO技术的性能高度依赖于信道状态信 息，但准确获取所有天线的信道状态信息
是具有挑战性的。
信号处理复杂性
MIMO系统需要进行复杂的信号处理，包 括信号检测、信道估计和均衡等，这增加
了系统的复杂性和功耗。
天线配置和布局
合理的天线配置和布局对于MIMO系统的 性能至关重要，但在实际应用中，天线的 配置和布局可能受到多种因素的限制。
MIMO系统由多个天线组成，在发 射机和接收机两端都有多个天线。这 种配置允许在多个维度（空间、时间 、频率）上处理信号。
信号传输模型
在MIMO系统中，发射机通过多个天 线同时发送信号，这些信号经过无线 信道后，由接收机的多个天线接收。
MIMO系统的信道容量
自由度
MIMO系统的信道容量与其自由度有关。自由度通常定义为天线数量和信号传 输的维度（空间、时间、频率）。
复用增益
复用增益是通过在多个天线之间发送不同的信号，从而实现在同一频带内复用多 个信号，提高了频谱效率。
03 空时处理技术
空时编码
概念
空时编码是在空间和时间两个维 度上对信号进行编码，以提高信
号的抗干扰能力和传输效率。
第7讲 MIMO无线通信基础(1)
表示各个接收天线上的噪声干扰，它们一般是零均值的独立同分布的复 Gaussian 随机变量， 而且实部虚部统计独立。 根据(7.2.2)式，接收端只能观察到受到噪声污染的相互干扰的接收信号向量 y ，于是得 到发送符号的过程相当于解(7.2.2)式的关于 x 线性方程组。与普通的解线性方程组的问题不 同的是，我们这里观察到的向量 y 是受到噪声污染后的观察向量，另外这里的未知向量
(7.3.2)
这时(7.2.2)式可以写成
QRx = y − v
两端乘以 Q 得到
H
(7.3.3)
Rx = Q H ( y − v ) = y
将上式写成下面形式
(7.3.4)
⎛ r11 r12 ⎜0 r 22 ⎜ ⎜0 0 ⎜ ⎜0 0 ⎜0 0 ⎜ ⎜" " ⎜0 0 ⎝
−1 "
7.2 多天线系统及其信道矩阵
MIMO 系统的发射和接收都采用多个天线， 要求的工作环境是 “丰富散射” (rich scattering) 环境，其示意图如下面的图 7.1 所示。
从上图可以看出，这里的 MIMO 系统是 N T × N R 的，即发射端有 N T 个发射天线，接 收端有 N R 个接收天线。从接收端来看，接收端的每一个天线，都可以接收到所有 N T 个发 射天线发射的信号， 即不同的发射天线发射的信号在一个接收天线上是叠加在一起的 （相互
T
接收天线的信道增益 hmn ，于是第 m 个接收天线接收到的信号 ym 为
ym = h1m s1 + h2 m s2 + " + hNT m sNT + vm
T
(7.2.1)
所有接收天线上接收到的信号组成接收向量 y = ( y1 , y2 ," , y N R ) ， 于是可以将 MIMO 的输 入输出关系表示成矩阵形式
无线通信中MIMO技术的使用教程
无线通信中MIMO技术的使用教程随着科技的不断发展，无线通信在我们的生活中扮演着日益重要的角色。
传统的无线通信技术在面对高速数据传输和抗干扰的需求时逐渐显露出瓶颈。
为了克服这些问题，多输入多输出（MIMO）技术应运而生。
本文将为你提供一份关于无线通信中MIMO技术的使用教程，帮助你更好地理解和应用这项技术。
一、MIMO技术概述多输入多输出（MIMO）是一种利用多个天线进行数据传输和接收的技术。
通过增加天线的数量，MIMO技术能够提高无线通信系统的数据传输速率和性能。
MIMO技术的核心思想是利用空气中的信道多径效应，通过发送和接收多个独立的信号来增加数据传输容量和系统可靠性。
MIMO技术在无线通信中的应用十分广泛，包括Wi-Fi和LTE等常见的无线通信标准。
无论是家庭中的Wi-Fi路由器还是移动通信基站，都可以通过使用MIMO技术来提高通信质量和数据传输速率。
二、MIMO技术原理MIMO技术的核心原理是利用空间复用来增加数据传输速率。
在传统的无线通信系统中，每个天线只能发送或接收一个信号。
而在MIMO技术中，通过使用多个天线，我们可以同时发送或接收多个独立的信号。
MIMO技术通过两个主要的方式来提高无线通信系统的性能：空间复用和空间分集。
空间复用是指将多个独立的信号通过不同的天线同时发送，从而将同一频谱分成多个子信道，提高数据传输容量。
空间分集是指在接收端通过多个天线同时接收来自不同路径的多个信号，并通过信号处理算法将它们合成为一个更强的信号，提高系统的抗干扰能力和可靠性。
三、MIMO技术的应用1. Wi-Fi网络在家庭或办公室中，Wi-Fi网络是我们最常使用的无线通信方式之一。
通过使用MIMO技术，Wi-Fi路由器可以提供更快的网速和更广的覆盖范围。
一般来说，现代的Wi-Fi路由器都支持2x2或3x3 MIMO 技术，即使用两个或三个天线进行数据传输。
通过使用多个天线，Wi-Fi路由器可以同时和多个设备进行通信，而无需在不同设备之间切换频道。
MIMO技术教案
MIMO技术
一、教学目标：
掌握认识移动通信系统中采用的MIMO技术，并分析掌握其性能。
二、教学重点、难点：
重点掌握分析移动通信系统中的MIMO技术。
三、教学过程设计：
（1）MIMO技术是在发送端和接收端均采用多根天线易增强系统的抗噪声性能。
MIMO信道被换为r个相互独立的子信道的叠加，因此它的信道容量也可以由独立自信道的信道容量叠加得到。
（2）根据各根天线上发送信息的差别，MIMO可以分为发射分集技术和空间复用技术。
•发射分集技术指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号，达到空间分集的效果，从而跟分集接收一样能够起到抗衰落的作用。
•空间复用技术在不同的天线上发射不同的信息，获得空间复用增益，从而大大提高系统的容量和频谱利用率。
四、课后作业或思考题：
分析MIMO技术特性及在移动通信技术中的应用。
五、本节小结：
对本节内容进行小结。
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b 3
b 2 b 1 b 0
对应于天线1和天线2的STTD 信道编
1.2 MIMO 技术
MIMO （Multiple-Input Multiple-Output ）技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。
LTE 系统的下行 MIMO 技术支持2×2的基本天线配置。
下行 MIMO 技术主要包括：空间分集、空间复用及波束成形3大类。
与下行 MIMO 相同，LTE 系统上行 MIMO 技术也包括空间分集和空间复用。
在 LTE 系统中，应用 MIMO 技术的上行基本天线配置为1×2，即一根发送天线和两根接收天线。
考虑到终端实现复杂度的问题，目前对于上行并不支持一个终端同时使用两根天线进行信号发送，即只考虑存在单一上行传输链路的情况。
1.2.1 空间分集
空间分集分为发射分集、接收分集两种。
1. 发射分集
发射分集是在发射端使用多幅发射天线发射信息，通过对不同的天线发射的信号进行编码达到空间分集的目的，接收端可以获得比单天线高的信噪比。
空间发射分集常用的技术包含空时发射分集（STTD ）、时间切换发射分集（TSTD ）、频率切换发送分集（FSTD ）、空频发射分集和循环延迟分集（CDD ）等。
LTE 系统中，为了确保控制信道可靠传输，控制信道普遍采用发送分集方式传输。
（1） 空时发射分集
空时发射分集（STTD ）主要是指将空间分集与空时编码相结合的方案，它是目前最为广泛关注的分集方案，STBC 的主要思想是在空间和时间两个维度上安排数据流的不同版本，可以有空间分集和时间分集的效果，从而降低信道误码率，提高信道可靠性，如下图1-5所示。
空时发射分集方法对信道衰落的抑制能力使它能够使用高阶的调制方式减少复用因子，用来提高系统容量。
天线1
信道比特
码比特
天线2
（2） 空频发射分集
图1-5 STTD 发射分集编码方式
空频发射分集将同一组数据承载在不同的子载波上面获得频率分集增益。
SFBC （Space Frequency Block Code ，空频块码）的主要思想是在空间和频率两个维度上安排数据流的不同版本，可以有空间分集和频率分集的效果。
两天线空频发射分集原理图如下1-6所示。
b 0 b 1 b 2 b 3
-b 2 -b 3 b 0 -b 1
SFBC 发射分集方式通常要求发射天线尽可能独立，以最大限度的获取分集增益。
图1-6 SFBC 原理图
（3）时间切换发射分集
时间切换发射分集 TSTD(Time Switched Transmit Diversity),是根据时隙号的奇、偶，在两个天线上交替发送基本同步码和辅助同步码。
例如奇时隙时用第1个天线发送，偶时隙
则用第2个天线发送。
（4）频率切换发送分集
频率切换发送分集FSTD（Frequency Switch Transmit Diversity），可使用在LTE 中PBCH 和 PDCCH 上，是一种多天线发射分集技术。
不同的天线支路使用不同的子载波集合进行
发送，减少了子载波之间的相关性，使等效信道产生了频率选择性，因而可以利用纠错编码
提高差错概率性能。
（5）循环延迟分集
传统延时分集是指在不同天线上传输同一个信号的不同延时版本，从而人为地增加信
号所经历信道的时延扩展值。
而循环延时分集技术是针对 OFDM 系统，再插入循环前缀（CP）之前，将同一个 OFDMA 符号分别循环移位 Dm 个样点，其中 m 表示天线序号，然后每
个天线根据各自对应的循环移位之后的版本，分别加入各自的 CP。
根据 DFT 变换特性，信号在时域的周期循环移位（即延时）相当于频域的线性相位偏移，因此 LTE 的CDD（Cyclic Delay Diversity，循环延时分集）是在频域上进行相位偏移操作的。
下图1-7a 和图1-7b 分别给出了下行发射机时域循环移位与频域相位线性偏移的等效示
意图。
图1-7a 时域循环延迟分集原理图
图1-7b 频域循环延迟分集原理图
2.分集接收
分集接收指多个天线接收来自多个信道（时间、频率或者空间）承载同一信息的多个独立的信号副本。
由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同，不可能同时处于深衰落情况，分集接收是利用信号和信道的性质，将接收到的多径信号分离成互不相关（独立的）的多径信号，然后将多径衰落信道分散的能量更有效地接收起来处理之后进行判决，从而达到抗衰落的目的。
如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接，因此采用分集方法可以降低发射机的发射功率。
在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低手机的发射功率。
1.2.2空间复用
空间复用的主要原理是利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传输不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。
空间复用适用于信道质量高且空间独立性强的工作场景。
LTE 系统中空间复用技术包括：开环空间复用和闭环空间复用。
LTE 系统中空间复用只应用于下行业务信道。
1.开环空间复用
开环空间复用接收端和发送端无信息交互，终端不反馈信道信息，发射端根据预定义的信道信息来确定发射信号。
LTE 系统支持基于多码字开环的空间复用传输。
一个码字就是在一个 TTI（即传输时间间隔 Transmission Time Interval，是指在无线链路中的一个独立解码传输的长度）上发送的包含了CRC 位并经过了编码（Encoding）和速率匹配
（Rate matching）之后的独立传输块（transport block），所谓多码字，即用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流，每个码字可以独立地进行速率控制，如图1-8所示。
2.闭环空间复用
图1-8 开环空间复用原理图
闭环空间复用需要终端反馈信道信息，发射端采用该信息进行信号预处理以产生空间独立性，如图1-9所示。
LTE 系统中，闭环空间复用包括两种方式，一种是基于非码本的预编码方式，该方式基于终端提供的 SRS（探测参考信号）或 DMRS（解调参考信号）获得的 CSI，基站自行计算出预编码矩阵；另外一种基于码本的预编码方式，该方式基于终端直接反馈的PMI（预编码矩阵索引号）从码本中选择预编码矩阵。
图1-9 闭环空间复用原理图
空间复用利用了天线间空间信道的弱相关性，在相互独立的信道上传送不同的数据
流，提高数据传输的峰值速率。
1.2.3波束成形
MIMO 中的波束成形方式与智能天线系统中的波束成形类似，在发射端将待发射数据矢
量加权，形成某种方向图后到达接收端，接收端再对收到的信号进行上行波束成形，抑制噪
声和干扰。
与常规智能天线不同的是，原来的下行波束成形只针对一个天线，现在需要针对多个
天线。
通过下行波束成形，使得信号在用户方向上得到加强，通过上行波束成形，使得用
户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力，如图1-10所示。
波束成形和发射分集类似，可以利
用额外的波束成形增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数
据率和频谱利用率。
Stream 1 Stream 1
Stream 2
接
收
机
Stream 2
Stream 3 Stream 3
Stream 4 Stream 4
4
3
2
1
预
处
理
反馈信道信息
Stream 1 Stream 1
Stream 2
Stream 3
接
收
机
Stream 2
Stream 3
Stream 4 Stream 4
4
3
2
1
发
送
端
图 1-10 波束成形原理图
1.2.4传输模式
在 eNodeB 侧，每个小区可以选择配置1/2/4/8根发射天线。
不同的多天线传输方案对应不同的传输模式（TM 模式）。
到 Rel-10为止，LTE 针对不同的 RF 环境支持9中 TM 模式，它们的区别在于天线映射的不同特殊结构，以及解调时所使用的不同参考信号（小区特定参考信号或UE 特定参考信号），以及所依赖的不同 CSI 反馈类型，如下表1-1所示。
表1-1 LTE 多天线传输模式特点及应用场景
LTE 针对 PDSCH 定义了9种传输模式，每种传输模式内又同时定义了多种 MIMO 方式，因此多天线模式切换就存在两种切换过程，模式内切换和模式间切换。
所谓模式内切换是指在同—种传输模式内的不同 MIMO 方式之间的切换，此时 MIMO 方式的变化是通过 PDCCH 的 DCI 信息指示的，切换周期较短，能被 UE 快速响应。
TM3模式内包含开环空间复用(SDM)和发射分集(SFBC)，TM7模式内包含基于用户的波束赋形(Port5)和发射分集(SFBC),可进行模式内切换。
模式间切换是指不同传输模式之间的切换，其中传输模式的变化是由基站的 RRC 信令通知用户进行切换，属于高层信令进行切换调度，因此切换周期较长。
eNodeb 自行决定某一时刻对某一终端采用什么传输模式，并通过 RRC 信令通知终端。
传输模式是针对单个终端的，同小区的不同终端可以有不同的传输模式。