MIMO技术ppt
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多入多出(MIMO)技术
次 后来，NL个M-QAM符号就能够被恢复出来。
信源 二进制
1
S/P 1
2
1至L L
……
OFDM 调制
信号 映 射（M-
QAM）
1
2 S/P
2
S/P 1至N
1至L L
……
OFDM 调制
……
1
N S/P
2
1至L L
OFDM 调制
图3-39 MIMO+OFDM实现框图
MIMO+OFDM系统，经过在OFDM传播系统中采用天 线阵列来实现空间分集，以提升信号质量，是MIMO与 OFDM相结合而产生旳一种新技术。它采用了时间、频率 结合空间三种分集措施，使无线系统对噪声、干扰、多径 旳容限大大增长。深刻揭示了MIMO+OFDM系统旳技术 原理与理论基础。
阵n表达，其元素是独立旳零均值高斯复数变量，各个接
受天线旳噪声功率均为 2 ；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，高斯分布旳复向 量。发射功率平均分配到每一种天线上，则容量公式为：
C log2[det(I N（式M 3H-H35H）)]
固定N，令M增大，使得
1 M
HH
MIMO系统在发射端和接受端均采用多种天线和多种 通道，如图3-37所示。
Hale Waihona Puke 发射天线接受天线R1(K) C1(K)
信
SI(K)
空 时
源
编
码
天 线 阵
CM(K) RM(K)
空 时 编 码
信 宿
图3-37 MIMO系统原理
传播信息流S（k）经过空时编码形成M个信息子流
Ci (k),i ，1, 2这,...M, M个子流由M个天线发送出去，经空间信道 后由N个接受天线接受，多天线接受机能够利用先进旳空
信源 二进制
1
S/P 1
2
1至L L
……
OFDM 调制
信号 映 射（M-
QAM）
1
2 S/P
2
S/P 1至N
1至L L
……
OFDM 调制
……
1
N S/P
2
1至L L
OFDM 调制
图3-39 MIMO+OFDM实现框图
MIMO+OFDM系统，经过在OFDM传播系统中采用天 线阵列来实现空间分集，以提升信号质量，是MIMO与 OFDM相结合而产生旳一种新技术。它采用了时间、频率 结合空间三种分集措施，使无线系统对噪声、干扰、多径 旳容限大大增长。深刻揭示了MIMO+OFDM系统旳技术 原理与理论基础。
阵n表达，其元素是独立旳零均值高斯复数变量，各个接
受天线旳噪声功率均为 2 ；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，高斯分布旳复向 量。发射功率平均分配到每一种天线上，则容量公式为：
C log2[det(I N（式M 3H-H35H）)]
固定N，令M增大，使得
1 M
HH
MIMO系统在发射端和接受端均采用多种天线和多种 通道，如图3-37所示。
Hale Waihona Puke 发射天线接受天线R1(K) C1(K)
信
SI(K)
空 时
源
编
码
天 线 阵
CM(K) RM(K)
空 时 编 码
信 宿
图3-37 MIMO系统原理
传播信息流S（k）经过空时编码形成M个信息子流
Ci (k),i ，1, 2这,...M, M个子流由M个天线发送出去，经空间信道 后由N个接受天线接受，多天线接受机能够利用先进旳空
《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。
在此添加您的文本16字
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。
在此添加您的文本16字
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和SCM信道模型解读课件
MIMO和SCM信道模型解读
5
MIMO技术
MIMO系统模型
Ci(k)
ri(k)
信 源
S(k)
空时 编码
…N
…
N
空时 解码
S(K)
Ci(k)
ri(k)
发射
接收
³ 无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一 个空间流。使用单输入单输出（SISO）的当前或老系统一次只能 发送或接收一个空间流。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多 个空间流。它允许天线同时传送和接收。
³ 功耗低：采用发射波束成型等方法可以获得较低的功率消耗； ³ 链路的可靠性高：采用多天线可以增加空间分集以对抗多径衰落。
MIMO和SCM信道模型解读
10
一.MIMO技术 二.MIMO信道模型 三.SCM信道模型 四.SCM信道模型使用
MIMO和SCM信道模型解读
11
MIMO信道模型
1.地面移动通信环境中的典型 场景
MIMO和SCM信道模型解读
13
MIMO信道模型
4.无线衰落信道的主要特性
³ 时延扩展和相干带宽 ³ 多普勒扩展和相干时间 ³ 角度扩展和相干距离
MIMO和SCM信道模型解读
14
MIMO信道模型
5.MIMO无线信道模型
x1 (t )
y1 (t)
x2 (t)
. . .
xNT (t)
散射介质
y2 (t)
两个问题：
³ 1.什么是MIMO技术？
³ 2.为什么要使用MIMO技术？
MIMO和SCM信道模型解读
4
MIMO技术
1.什么是MIMO技术？
MIMO（Multiple-In Multiple-Out，多入多出/多 天线）
MIMO技术介绍
空间分集技术
空间分集技术原理
空间分集技术是一种利用多个天线在不同空间位置上传输相同数据流的技术。 通过增加天线数量，降低多径衰落的影响，提高信号质量和可靠性。
空间分集技术应用场景
广泛应用于无线通信系统，如4G、5G等，以及Wi-Fi、蓝牙等短距离无线通信 技术。
最大比合并技术
最大比合并技术原理
最大比合并技术是一种利用多个天线在同一频段上传输相同数据流的技术。通过 加权合并各个天线上接收到的信号，最大化合并比，从而提高信号强度和信噪比 。
最大比合并技术应用场景
广泛应用于无线通信系统，如4G、5G等，以及Wi-Fi、蓝牙等短距离无线通信技 术。
等效基带处理技术
等效基带处理技术原理
等效基带处理技术是一种将MIMO信道转换为等效基带信号进行处理的技术。通过基带处理实现信号的调制解调 、编码解码等操作，从而降低系统复杂度和成本。
等效基带处理技术应用场景
频谱效率
MIMO技术通过空间复用和空间分集等技术，提高频谱利用效率，从而在有限的频谱资源中实现更高 的数据传输速率。通过在多个天线之间进行信号的并行传输，可以增加数据传输的并行度，提高频谱 效率。
MIMO系统的误码率性能
误码率性能
在MIMO系统中，通过增加天线数量和采用 复杂的信号处理技术，可以显著降低误码率 ，提高数据传输的可靠性。例如，通过采用 空间调制、空时编码等技术，可以在一定程 度上抵消多径效应和干扰，从而降低误码率 。
02
MIMO技术原理及实现
空间复用技术
空间复用技术原理
空间复用技术是一种利用多个天线在同 一频段上传输不同数据流的技术。通过 增加天线数量，提高空间分辨率和频谱 效率，从而提升系统容量和数据传输速 率。
移动通信原理第十二章MIMO空时处理技术
硬件限制
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。
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。
MIMO技术
TDD的特有技术， 利用互易性得到信 道信息，准确的波 束赋型
LTE系统中的 复用 MIMO Precoding 方案 基于码本和公共导频
主要用于中低速的业务信道
分集 SFBC
基于空时编码
用于控制信道和高速业务信道
MIMO技术的分类
从MIMO的效果分类：
空间分集（Spatial Diversity）
观点：MIMO只能用于室内？MIMO只能用于微小区？ 对传统网规的挑战：选址的原则可能改变。
14
空间复用技术分类
解决空间复用适用性，灵活实现空间复用和空间分集/波束赋形的切换和整 合，需采用闭环自适应MIMO方法：
开环（Open-Loop）空间复用
不管信道条件，采用固定的复用流数。
17
波束赋形天线
18
防务技术中的波束赋形
19
波束赋形的分类
波束赋形包括：
动态波束赋形（俗称智能天线） 固定波束赋形（又称高阶扇区化）
20
波束赋形算法
和预编码技术相似，波束赋形系统的波束也是通过预编码方法生成的，但 和码本预编码MIMO不同，动态波束赋形的权值仅仅需要匹配信道的慢变 化，比如来波方向（Direction Of Arrival，DOA）和平均路损。因此生成 的是实际波束，而预编码技术生成的是虚拟的波束。 在TDD系统中，可以不依赖终端来反馈所需信息，来波方向和路损信息可 以在基站侧通过测量上行接收信号获得，比FDD系统更有利于波束赋形的 使用。
预编码配对
虚拟发射分集 虚拟天线选择
25
LTE系统对MIMO技术的使用
映射关系（Mapping）：
天线端口（Antenna Port） 层（Layer） 码字（Code Word） 4种技术
MIMO技术
有关MIMO技术的标准
3GPP标准（WCDMA系统）
¾ 空时发送分集（Space-Time Transmit Diversity） ¾ 闭环发送分集（Closed Loop Transmit Diversity） ¾分层空时结构（Bell Laboratories Layered
Space-Time） 3GPP2标准（cdma2000系统） ¾ 空时扩频（Space-Time Spreading） ¾ 正交发送分集（Orthogonal Transmit Diversity）
容量为
M
∑ C = log2(1+ ρ* | hi |2) i=1
发送分集（1）
采用多个发送天线，一个接收天线的分集方式， 能够抗衰落 如果和接收分集保持相同的总的发送功率，则 每个发送天线的发送功率为发送分集的 1/M . 分集增益为
(|h1 |2 +| h2 |2 +K+| hM |2)/M
H = [h1, h2 ,K, hM ]
CMN ×MN
¾计算列向量 hNM ×1 = [h1 , h2 ,L , hNM ]T和矩阵
CMN×MN 的乘积，得到列向量 hN′ M ×1
¾将列向量 hN′ M ×1 进行分段，得到矩阵 hN×M ，即 为空间相关的MIMO信道
MIMO信道Shannon容量（1）
基于前面所述的信道模型，根据信息论的结论，此 MIMO系统能达到的系统Shannon容量为
在理想情况下，即MIMO信道可以等效为最大数目的独 立、等增益、并行的子信道时，得到最大的Shannon容 量(为保证系统性能比较是在相同条件下，将发射功率
归一化，每根发送天线的发射功率与 1 M 成比例)当信 道列矢量互相正交时可以达到的容量
mimo技术
mimo技术MIMO技术是一种通信技术，全称是多输入多输出技术。
它的发展历程源于20世纪末名为MIMO的信息论研究，而现代MIMO技术则发源于20世纪末至21世纪初的通信领域中，通过研究多输入多输出天线（Multiple Input Multiple Output, MIMO）系统而取得的技术。
MIMO技术的出现是由于在现代通信中，信道的扩散带宽越来越窄，导致信噪比变低，从而降低信息的传输速率和可靠性。
而MIMO技术则可以克服这个问题，其主要目的是增加无线信号的传输速率和稳定性。
其核心思想是通过多个天线之间的异构性来增加数据的传输信道数，从而提高信道的传输带宽和信号品质。
MIMO技术的基本原理是通过在发送端和接收端采用多个天线，利用多个天线之间的异构性，将数据分成多个子流，经过不同的天线发射，在接收端进行合并，从而增加信道的容量和传输速率。
其中，MIMO技术主要可以分为两个方向：空间多路复用技术（Spatial Multiplexing，SM）和空间分集技术（Spatial Diversity，SD）。
空间多路复用技术（SM）是一种利用空间供给多个用户同步进行的数据传输技术。
在SM技术中，发送端会将不同的数据流分别经过不同的天线发射，接收端则通过接收到不同天线上的信号，将其分别解调和合成，最终得到原始数据流。
SM 技术主要适用于有限的发射功率和不断增加的用户量的信道。
空间分集技术（SD）则是一种通过在发射端或接收端增加多个天线的技术，通过差异化的传输，让接收端可以同时接收多个信号，从而降低噪声干扰和提高信号质量。
SD技术可以分为多种形式，包括时空分集、时度分集等技术，主要适用于复杂的移动环境以及需要高速可靠数据传输的场景。
MIMO技术的应用有很广泛。
在无线通信领域中，MIMO技术已被广泛应用于Wi-Fi、蓝牙、LTE、5G等技术的研究和应用中。
同时，在雷达探测、无线电广播、智能交通系统等领域中，MIMO技术也得到了广泛应用。
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-
MIMO的工作模式
LTE中7种MIMO模式
1 Mode 1 单天线端口 2 Mode 2 发射分集 3 Mode 3 开环空间复用 4 Mode 4 闭环空间复用 5 Mode 5 多用户MIMO 6 Mode 6 码本波束成形 7 Mode 7 非码本波束成形
-
适用于单天线端口 提供发射分集对抗衰落 适用于高速移动环境 提高峰值速率 提高系统容量
-
MIMO的工作模式
空间分集模式 空间分集的思想是制作同一个数据流的不同版
本，分别在不同的天线进行编码、调制、然后 发送。这个数据流可以是原来要发送的数据流， 也可以是原始数据流经过一定的数学变换后形 成的新数据流。同一个东西，不同的面貌。 不管是复用技术还是分集技术，都涉及把一路 数据变成多路数据的技术，即空时编码技术。
提高小区覆盖，抑制干扰
MIMO的工作模式
MIMO模式在下行物理信道的应用
物理信道
Mode1
PDSCH
PBCH
PCFICH
PDCCH
PHICH
SCH
Mode 2
Mode3 – Mode 7
-
MIMO的工作模式
MIMO模式的应用
小区中心
小区边缘
高速移动
中速移动
市区
低速移动（室内） 小-区边缘
时间
Z= S1 S2 -S2* S1*
天线
-
MIMO的工作模式
SFBC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。
Z=
S1 S2 -S2* S1*
子载波
天线
-
MIMO的工作模式
TSTD也是在空间和时间两个维度上安排数 据流的不同部分，可以有空间分集和时间 分集的效果。
-
MIMO基本原理
多天线技术增益： 阵列增益 功率增益 分集增益 空间复用增益 干扰抑制增益
-
MIMO基本原理
多天线技术增益和系统性能改善的关系
阵列增益 功率增益 分集增益 空间复用增益 干扰抑制增益
改善系统 覆盖
√ √ √
√
提高链路可 靠性
√ √
提高系统 提高用户
容量
峰值速率
√
√
-
MIMO基本原理
概述： 最早的多天线技术是一种接收分集的技术 如采用多天线发送相同的数据流，它们是
相互干扰的，甚至会相互抵消，起不到发 送分集的作用，要想实现发送分集，必须 解决发送天线之间无线链路正交性的问题。 多天线正交性的问题最终被攻克，于是 MIMO技术成熟了。
-
MIMO基本原理
-
MIMO的工作模式
空间复用模式： 空分复用的思想是把一个高速的数据流分
割为几个速率较低的数据流，分别在不同 的天线进行编码、调制，然后发送。天线 之间相互独立，一个天线相当于一个独立 的信道。接收机利用空间均衡器分离接收 信号，然后解调、解码，将几个数据流合 并，恢复出原始信号。 空时编码
时间
空间 （天线口）
S1 S3
S5
S7
S2
S4
S6
1ms
-
MIMO的工作模式
CDD也是在空间和时间两个维度上安排数据 流的，可以有空间分集和时间分集的效果。
空间
S2 S1
（天线口）
S2 S1 1ms
时间
-
MIMO的工作模式
CDD矩阵表示形式：
Z=
S(t)
S(t-t）
子载波
天线
t：是CDD的时延量
数学模型： R=HS+N
R:接收数据流向量 H:空间信道变换矩阵 S:发射数据流向量 N:噪声影响向量
-
MIMO基本原理
极限容量：
单天线系统：C=B*LOG2(1+S/N) SIMO系统： C=B*LOG2(1+MrPt/δ*h²) MISO系统： C=B*LOG2(1+MtPt/δ*h²) MIMO系统： C=MIN(Mr,Mt)*B*LOG2(1+Pt/δ*λ) 其中： Pt：天线发射功率， Mr：接收天线数 Mt：发射天线数 ，δ：白噪声的方差 h:衰减系数 λ:空间信道转换矩阵的特征根
√
-
课程内容
MIMO基本原理 MIMO的工作模式 MIMO系统的实现 自适应MIMO 多用户MIMO
-
MIMO的工作模式
MIMO系统的多个输入和多个输出实际上就 是多个信号流在空中的并行传输
提高信息传送效率的工作模式就是MIMO的 复用模式
提高信息传送可靠性的工作模式就是MIMO 的分集模式
小区中心/边缘 小区中心 小区中心 小区边缘 小区边缘
课程内容
MIMO基本原理 MIMO的工作模式 MIMO系统的实现 自适应MIMO 多用户MIMO
-
MIMO系统的实现
最多2个码字流q 2
最多4层 4
最多4个天线端口P 4
每端口天线数目 M P 1
码字1
码 字
流
M
数
A 码字2 据
C
层
CRC、码块 分割、编
码、速率匹 配、码块级
连、加扰
调 制
QPSK/ 16QA M/64 QAM
M1 4
层1
延
层
迟
映
编
射
码
矩
层4
阵
码 本 编 码 矩
阵
天线端口1 各 端 口 数 据 资 源
天线端口P 映
天线端口1
天线端口P
各端 口数
据
O FDM 调制
天线端口1
端口 广播
加权
M3 1
-
MIMO的工作模式
STBC：空时块编码 SFBC: 空频块编码 TSTD/FSTD:时间/频率转换传送分集 CDD: 循环延时分集
-
MIMO的工作模式
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。
MIMO的工作模式
MIMO 模式总结
传输 方案 发射分集 (SFBC) 开环空间复用 双流预编码 多用户MIMO 码本波束成形 非码本波束成形
信道 相关性
低
低 低 低 高 高
移动性
高/中速移动
高/中速移动 低速移动 低速移动 低速移动 低速移动
-
数据 速率
低
中/低 高 高 低 低
在小区中 的位置 小区边缘
MIMO多天线技术
-
课程内容
MIMO基本原理 MIMO的工作模式 MIMO系统的实现 自适应MIMO 多用户MIMO
-
MIMO基本原理
概述 数学模型 极限容量 多天线技术增益
-
MIMO基本原理
概述： MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解
为多个并行的数据流，在指定的带宽内由 多个发射天线上同时刻发射，经过无线信 道后，由多个接收天线接收，并根据各个 并行数据流的空间特性Biblioteka 利用解调技术， 最终恢复出原数据流。