第2章 无线信道与MIMO信道..
MIMO-OFDM无线信道与系统
第一章无线信道1.1 概述无线信道系统主要借助无线电波在空中或水中的媒介传播来实现无线通信，其性能主要受到移动无线信道的制约和影响。
与有线通信不同，无线通信系统的发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的室内传播到几千米或几十千米的视距（LOS）传播，会遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等障碍物的非视距（NLOS）传播。
由于无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有很大的随机性，甚至移动台的速度都会对信号电平的衰减产生影响，以上因素都造成无线信道非常难以分析。
仔细分析无线信道的传输特点，是提高无线传输效率和质量的前提，一般用统计方法来分析和建模无线信道。
1.2信号传播方式在无线环境下进行通信，信号可能要经过许多的障碍物，如大楼、街道、树木以及移动的汽车等。
信号的传播途径大致可分为4种：（1）直线传播在较广阔的地区，如郊区或农村。
然而在城市环境中，直线传播很少见。
（2）反射信号往往经过大的建筑物、平坦的地面和高山反射。
反射是信号传播的一种重要途径。
（3）折射信号经过障碍物的边界时，经折射绕过障碍物而到达目的地，信号经折射后衰减很大。
因此，在无线信道模型中，一般忽略这种传播途径。
（4）散射当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分成了许多个随机方向的信号。
散射在城市通信中为最重要的一种传播方式。
信号经散射后很难预测，因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。
在实际环境中，信号利用障碍物的反射、散射或直线传播等，经多条路径到达接收端，即多径传播，从而形成了多径传播。
1.3移动无线信道的衰落特性移动无线信道是一种时变多径信道。
无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损害，这些来自不同途径的衰减损害对通信系统的性能带来极大的影响。
这些算还可以归纳为三类。
接收信号的功率可用公式（2-1）表示为：()()()n P d d S d R d -=⋅⋅ 式中，d 表示移动台到基站的距离。
MIMO技术杂谈(二)：犹抱琵琶半遮面--MIMO信道中隐藏的秘密
MIMO技术杂谈（二）：犹抱琵琶半遮面--MIMO信道中隐藏的秘密犹抱琵琶半遮面--MIMO信道中隐藏的秘密无线通信中，最让人难以捉摸的，就是那看不见，摸不着的无线信道了。
但是，正因为它的变化莫测，才让无线通信具有了独特的魅力。
正如Tse在他的大作《无线通信基础》（Fundamentalof Wireless Communication）中说的：衰落和干扰，让无线通信的研究变得有趣。
然而衰落本身来无影，去无踪，研究中，我们也只能通过概率统计的方法，才能捕获它扑朔的身影。
无线信道根据其自身特点和研究需要，可以建模成多种模型。
其中最经典的，江湖人称“独立同分布模型（independentlyand identically distribute，简称i.i.d）”。
比如在介绍一个传播环境时，我们说“……在一个4x1的MISO系统中，假设每条路径的传输成功率都是1/2……”描述的就是这种模型。
其中“独立”和“同分布”俩个名词都源自概率论。
“独立”是说每条路径的传输成功与否，相互之间并不影响；而“同分布”表示概率分布相同，即成功率都是1/2。
我们已经知道，对付这种信道最有效的方法之一就是分集，获得的分集增益越多，传输的可靠性就越高。
但是，分集技术的应用并没有让江湖太平多久，“衰落相关性”的出现，又在江湖上掀起了一阵波澜。
为了更好的理解相关性的概念，我们先来看一个例子。
比方说我们有一车货物要从A地运到B地，有3条路可以选择，分别经过城市X，Y，Z。
但X市和Y市的地理位置非常接近。
在出发前我们听到天气预报说X市会有大雨，那我们一定会选择绕道走Z市，而不选择Y市。
为什么？答案很简单，X与Y市离得那么近，若X市大雨，Y市天气也好不到哪去，这种天气间相互影响的现象就说明X市与Y市的天气具有相关性。
所以用一句话概括相关性，就是“他好，我也好”。
原来我们有3条路可选，但因为X与Y市天气条件近似，实则只有两条路线可选，其中一条神秘的“消失”了，这种现象对MIMO系统会产生什么样的影响呢？在MIMO系统中，“衰落相关性”扮演者同样的角色。
浅谈MIMO无线信道中空间相关性
引言MIMO 表示多输入多输出。
读/maimo/或/mimo/，通常美国人前者，英国人读后者，国际上研究这一领域的专家较多的都读读/maimo/。
通常用于IEEE 802.11n，但也可以用于其他802.11 技术。
MIMO 有时被称作空间多样，因为它使用多空间通道传送和接收数据。
只有站点（移动设备）或接入点（AP）支持MIMO 时才能部署MIMO。
MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统是一项运用于802.11n的核心技术。
802.11n 是IEEE继802.11b\a\g后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。
同时，专有MIMO 技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。
该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。
根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。
测量原理利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。
前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。
实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML 算法。
ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。
ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。
性能和复杂度最优的就是BLAST算法。
该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。
目前MIMO 技术领域另一个研究热点就是空时编码。
常见的空时码有空时块码、空时格码。
空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。
无线移动信道及MIMO系统信道模型
［ 关键词 ］ ＭＯ 衰落信 道 分集枝 术 ＭＩ
１引 言 ．
ＭＩ ＭＯ系统 的信道是无线信道 ， 其信道 环境十分恶 劣 ， 因而研究 其 信道特征对于研究 ＭＩ ＭＯ系统有至关重要的意义。在无线通 信系统中 ， 由基站发射机到移动 台之间 的无线 链路称为前 向链路或下行 链路 ， 由 移动 台到基站接收机的无线链路称 为反 向链路或 上行链路 。无线 电信 号在上行链路和下行链 路中都会受到无线移动信道 的影响。 ２无 线 移动 信 道 的信 道 特 征 ． 无线通信信号的传播模型 从统计 特性上 可分为大尺度（ ｒｅｓａ ） Ｌ ｇ—ｅｌ ａ ｅ 传播模型和小尺度（ｍａ— ｃｌ传播模 型。大尺度传播模型描述 的是发 Ｓ ｌ ｓ ｅ ｌ ａ） 射一接收距离很大（ 数百或数千米） 的信号强度 变化 ， 时 常用来估计某 个 发射机的无线覆盖范同。小尺度传播模 型主要描述非 常短 的距离（ 几个 波长） 非常短的时间间隔（ 或 秒级） 内接收信号强度 的迅速变 化。大尺度 传播模型常简称路径损 失模型 ， 尺度传播模 型简称衰落模 型。 小 大尺度 传播模型主要预测无线 覆盖范同。而小尺度传播模 型主要描述 由于无 线信号的多径传播 或者通信双方相对移动 ，接收机 收到的信号幅度将 有剧烈起伏的现象。 ３改 善 衰落 信 道 性 能 的方 法 ． 在实际的无线移动通信系统巾 ，必须采用某些 方法来克服这些不 利因素的影响 ， 改善信 道质量 ， 从而达到改善通信质 量的 目的。通常我 们采用的技术有均衡 、 信道 编码 和分集等等 。 其中均衡 主要用 于补偿信 道中 由于多径传 播造成 的符号 间干扰 。 当传输的调制信号 的带 宽超过 了无线信道 的相关带宽 时 ，就会产生符 号间干扰 ， 同时造成 调制信 号的带宽展宽 。通过均衡技 术 ， 可以对信道 的幅度和时延进行 补偿 ， 而消除符号 问干扰 。 从 另 一 种 技术 是 信 道 编码 ，即 通 过 在 发 送 的信 息 中通 过 某 种 算 法 增 加额外 的冗余符 号 ， 以牺牲 信道的效率 为代价 ， 改善信 道的性 能 ， 从而 提高信道 的可靠性 。 在发射端 ， 经过编码器实现的某种信道编码算法将 输入的原始信息数据流影射为一个添加 了更多冗余符号的编码数据流； 在接收端 ， 经过译码器 内实现 的相应 的译码算法 ， 利用冗余 的符 号纠正 编码数据 流在信道传输过程 中形 成的部分或全部误符号 。通过 这种方 法， 可以在牺牲频带利用率 的条件下换取信道 可靠性的提升 。 为了对抗信道造成 的衰落 ， 我们通常采用分集 的方法 。 采用分集技 术 可以有效地改善链路的质量 ， 同时提高通信的可靠性和有效性 。 分集 的基本思 想是： 如果接收端得到多个独立 的发送 信号 的样 本 ， 这些样本 的衰落又是不相关 的 ， 这些样本 就会有 的衰 落严重 ， 的衰落较轻 ， 有 也 就是说 ， 这些样本同时严重衰落到无法检测的概 率是大大降低了。 通过 对这些样本进行合理地组合 ， 以大大地 降低衰 落带来的不利 因素 ， 可 从 而提供传输 的可靠性。目前常用的分集包括时间分集 、 频率 分集 和空间 分集… 。 ３１ 间 分 集 ．时 通过在不同的时隙发送相 同的消息 ，而这 些时隙的信号衰落 又互 不相关 ， 则可以获得 时间分集 。 非相关 时隙的最小 间隔是信道 的相干时 间 ， 相 干 时 间 是信 道 衰落 保 持 相 关 的 时 问 段 的统 计 值 ， 与 信 道 的最 而 它 大多普勒频移成倒数关 系。 在数字通信领域 ， 差错控制编码与非编码系 统相 比可获得编码增益 ， 移动通信 中， 在 我们是用差错 控制编码和交织 相结合来获得时间分集 ， 中差错 控制编码是用来 获得 时域冗余的 ， 其 而 交织技术是用来保证接 收端得 到不相关 的发送信号 副本。 由于交织会 引入解码 时延， 因此它 只适合 于快 衰落信道 ， 这样 由于相十时间较短交 织 引 入 的解 码 时 延 相 对 较 小 。 ３ ． ２频率分集 在频率分集 中， 同的消息通过不 同的频率传送到接 收端 ， 相 如果这 些不同的频率间隔大于信道的相 十带 宽 ， 就会经历独立 的衰落 ， 从而获 得频率分集 。 信道的相干带宽是信道衰落保持相关的频率间隔 ， 与信 它 道最大时延弥散成倒数关系 。在移动通 信系统 中， 直接序列扩频 、 多载 波调制和跳频技术 ， 都是应用频率分集的例子。 ３３空 间 分 集 ＿ 空间分集又叫天线分集 ，利于在发射端 和接收端放置在空 间上分 开一定距离的多个发射或接收天线 ， 产生多个 独立的衰落信道。 一般距
《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
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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是什么-MIMO的分类及信道的秘密
MIMO是什么?MIMO的分类及信道的秘密
01
—
MIMO是什么
在这个万物互联的时代，手机作为我们和外界联系的窗口，似乎已经成为了我们身体的一部分。
而手机是无法自己上网的，和手机进行通信的通信网络，已经变得跟水和电一样。
畅快上网的时候，感觉不到这些幕后英雄的重要，一旦离开就感觉跟活不下去了一样。
按流量收费的时代，曾几何时，1M流量收费一块，普通人一个月也就几百M，用一点少一点，哪敢无时无刻刷抖音啊。
因此，看到wifi，就有了安全感。
我们来看看无线路由器长什么样子。
好家伙，8根天线，都快成蜘蛛了。
看起来很牛逼的样子。
实际呢，信号能多穿两堵墙？还是网速能倍增？
这些效果还真都可以达到。
效果当然是通过这么多天线来实现的，这就是大名鼎鼎的MIMO技术。
MIMO，说人话就叫：多输入多输出（Multi Input Multi Output）。
可这听起来还是不够像人话。
我们这样想一下，如果通过网线上网的话，连接电脑和网络的就是一根实际的线缆。
现在我们通过天线把信号在空气中用电磁波来传送，空气就起到跟网线一样的作用，都是传输信号的通道，叫做无线信道。
那么咋样能让网速更快呢？
显然，多来几根天线，多几根虚拟的网线一起收发数据，就能解决问题。
这个多输入多输出，就是针对这个无线信道来说的。
无线路由器如此，在那高高的铁塔上，4G基站和你的手机也在做着同样的事情——为了。
mimo技术原理
MIMO技术优势与应用领域
技术优势
MIMO技术具有以下优势：提高系统容量和 传输速率；提高信号传输的可靠性和稳定性 ；降低误码率和重传率；支持多用户同时通 信等。
应用领域
MIMO技术广泛应用于无线通信的各个领域 ，如移动通信、无线局域网（WLAN）、无 线城域网（WMAN）、卫星通信等。在移 动通信中，MIMO技术可以提高数据传输速 率和用户体验；在WLAN中，MIMO技术可 以提高网络覆盖范围和吞吐量；在WMAN 中，MIMO技术可以提高城域网传输效率和 覆盖范围；在卫星通信中，MIMO技术可以 提高卫星通信系统的容量和可靠性。
计算方法
介绍MIMO信道容量的计算方法，如 香农公式、注水算法等，并分析其适 用场景和优缺点。
信道传输特性影响因素探讨
天线配置
分析天线数量、排列方式、极化方式 等因素对MIMO信道传输特性的影响 。
多径效应与散射环境
分析多径效应和散射环境对MIMO信 道传输特性的影响，包括多径时延、 角度扩展等参数的变化规律。
AI与MIMO的融合
人工智能技术的引入将助力大规模MIMO实现更智能的信 号处理和资源管理，提升系统性能。
当前面临挑战及未来研究方向
信道建模与估计
复杂多变的无线信道环境是MIMO技术面临的主要挑战之一，未 来需进一步研究更精确的信道建模与估计方法。
多用户干扰管理
多用户MIMO系统中，用户间干扰是影响系统性能的关键因素，有 效的干扰管理策略将是未来研究的重要方向。
越好。
04
MIMO天线设计与优 化方法
天线阵列布局规划及优化策略
阵列布局规划
根据MIMO系统需求，确定天线数量、排列方式和间距，以最大化空间复用增益 和分集增益。
MIMO信道的信道容量
Pi 1/ 0 1/ i 0 P
其中 0 为某个门限值。由此得到信道容量为
i 0 i 0 （1-6）
C B log 2 (
i: i 0
i ) 0
对于有一个发送天线和多个接收天线的单入多出系统，或者有多个发送天线 一个接收天线的多入单出系统，也可以定义出收发都有理想信道信息时的容量。 这些信道可以通过多天线获得分集增益和阵列增益，但没有复用增益。当发送端 和接收端都已知信道信息时， 其容量等于信号在发送端或接收端进行最大比合并 后得到的 SISO 信道的容量为
1 引言
信道容量的计算是研究噪声信道的主要关注点之一。信道容量的定义是以任 意小的差错率传输信息的最大速率，它建立了可靠通信的基本极限。因此，信道 容量广泛应用于衡量通信系统的性能。本文的主要目标是研究与 MIMO 无线信 道有关的信道容量。 MIMO 信道的香农容量是能够以任意小的差错率传输的最大数据率。中断容 量则定义为能使中断率不超过某个数值的最大数据率。 信道容量的大小和收发两 端是否已知信道增益矩阵或其分布有关。 下文先给出不同信道信息假设下静态信 道的容量，它是其后讨论的衰落信道容量的基础。
MIMO 信道的信道容量
摘要
由于 MIMO 可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损（transmit power expenditure）的情况下大幅地增加系统的资料吞吐量（throughput）及传送距离， 使得此技术于近几年受到许多瞩目。MIMO 的核心概念为利用多根发射天线与 多根接收天线所提供之空间自由度来有效提升无线通信系统之频谱效率， 以提升 传输速率并改善通信品质。研究 MIMO 信道的容量是对 MIMO 进行深入分析的 基础，本文分析了 MIMO 信道的容量计算方法，分别介绍了在静态信道中的注 水法、平均功率分配法信道容量，以及衰落信道中遍历容量和中断容量。 关键词：MIMO，信道容量，注水法，平均功率分配，遍历容量，中断容量
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正态分布。
(log10 x ) 2 p ( x) exp 2 2 x 1
x0
路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大
尺度上对传输信号的影响，可以合称为大尺度衰落，因为 这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加而缓
慢起伏变化，所以也称为慢衰落。
起的衰落过程的频率扩散（frequency dispersion），又称时间选
择性衰落（time selective fading）。
11
如果接收机、发射机或环境是移动的，多径传播信道的冲激
响应模型
h t , ai t i t
i 1
L t
考虑多普勒频移
h t , ai i e jit
i 1
L
i
是第
i 径的多谱勒频移。
H t , ai e
i 1 L j i i t
若发射信号
s( ) e jt ，则接收到的信号为
jt
y(t ) H t , e
6
2.2.2 多径衰落
三种最重要的多径衰落效应： • 信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化； • 不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制； • 多径传播时延引起的扩展； 影响多径衰落的因素： 1.多径传播 2.移动台的速度 3.周围物体的速度 4.信号的发射带宽
7
多径传播信道的冲激响应模型
3
2.2 无线信道 2.2.1 大尺度衰落与阴影效应 1. 大尺度衰落 最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示为
Pr 1 L K n Pt d
Pt 表示本地平均发射信号功率；
P r 表示接收功率；
d 表示发射机与接收机之间的距离 ；
K 是独立于距离、功率和带宽的常数；
可以得到平均的信号噪声比( SNR )为
10
多普勒效应引起的附加频率偏移称为多普勒频移，可以用下式表示
fcv v f cos cos f d cos c
fc 表示载波频率，c 表示光速， f d 表示最大多普勒频移
v 表示移动台和观察者之间的相对运动速度
为运动路线与入射角之间的夹角
当移动用户向着基站方向运动时，多普勒频移为正，即接收频率增加。 当移动用户远离基站方向运动时，多普勒频移为负，即接收频率减小。 多普勒扩展（Doppler spread）是一种由多普勒频移现象引
及电波的传播范围都会受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系 统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动 通信系统的影响并不需要单独加以考虑。
5
2. 阴影衰落
电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻 挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中 值的变化，从而引起信号衰减，称为阴影衰落。阴影衰落 是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数
SNR P 1 Pr K tk Pn d N0 B
4
N 0 是单边噪声功率谱密度，B 是信号带宽。
如果为保证可靠接收，要求 SNR SNR0
SNR0 表示信噪比门限
KPt B r d N 0 SNR0
KPt d ( )1 r N 0 BSNR0
可见，如果不采用其他特殊的技术，则数据的符号速率以
i 1
L
设发射信号为 s t ，则接收到的信号是经多径传播后的总和
y t ai s t i ,
i 1
L
1 2 3
y(t )
L
假设
s (t )
时延扩展
t t
8
s (t )
V0 V0
迟延t0 迟延t0＋τ
y(t )
＋
y(t ) V0 s(t t0 ) V0 s(t t0 )
Y () V0 S ()e jt0 V0 S ()e j (t0 ) H () V0e
jt0
(1 e
j
) 2V0 e
H ()
jt 0
e
j
2
cos
2
H ( ) 2V0 cos
2
2 V0
0
2
3
4
ai e
i 1
L
j i i t
e
jt
ai e
i 1
L
j i
e
j i t
多谱勒角频移 i 会使接收信号的频谱扩展.
12
2.2.4选择性衰落
• 时延扩展——频率选择性衰落 最大时延扩展：第一个到达接收天线的信号分量与最后一个到 达的信号分量之间的时间差。 相干带宽：指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率 分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多 径信道具有恒定的增益和线性的相位。 如果相关带宽小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收 信号波形产生频率选择性衰落。反之，如果多径信道的相干带宽大于 发送信号的带宽，则接收信号经历平坦（Flat）衰落，或频率非选择 性衰落。
2
信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来 说接收信号的功率可以表达为
P d d
n
S (d ) R (d )
d 表示移动台与基站的距离
（1）电波在自由空间内的传播损耗 其中 n 取值一般为2~4； （2） S (d ) ：阴影衰落 （3） R (d ) ：多径衰落
d
n
Байду номын сангаас
,也被称作大尺度衰落。
9
信道的多径数目为
7，信号经7条不同路径
到达时的幅度和时间是 随机选择的。
若发射信号 st e jt ，则接收到的信号为
y (t ) ai e
i 1
L
j ( t i )
ai e
i 1
L
j i
e
jt
H ()e jt
2.2.3 无线信道的时变性以及多普勒频移
第2章 无线信道与MIMO信道
2.1 引言
阴影衰落 多径效应 发射台 穿透损耗 路径损耗
移动台
移动通信电波传播路径损耗和多径衰落
1
相对于中值电平 /dB 10 0 -10 -20 -30 1 0 0.2 2 0.4 3 0.6 4 0.8 5 1.0 d/m t/s
快衰落
慢衰落
典型信号衰落特性 慢衰落:慢衰落指的是接收信号强度随机变化缓慢，具有 十几分钟或几小时的长衰落周期。 快衰落:接收信号强度随机变化较快，具有几秒钟或几分 钟的短衰落周期。
h ai i , 1 2 3
i 1 L
L
L 是所有传播路径的数目; a i 和 i 是每路信号的强度和到达时间。
对上式进行傅立叶变换得到信道多径环境下的频率响应（传输函数）
H h e
j
d ai e j i