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MIMO基本原理介绍课程目标：了解MIMO的基本概念了解MIMO的技术优势理解MIMO传输模型了解MIMO技术的典型应用目录第1章系统概述...........................................................................................................................................11.1MIMO基本概念.................................................................................................................................11.2LTE系统中的MIMO模型................................................................................................................2第2章MIMO基本原理.............................................................................................................................52.1MIMO系统模型.................................................................................................................................52.2MIMO系统容量.................................................................................................................................62.3MIMO关键技术.................................................................................................................................72.3.1空间复用..................................................................................................................................72.3.2空间分集..................................................................................................................................92.3.3波束成形................................................................................................................................132.3.4上行天线选择........................................................................................................................142.3.5上行多用户MIMO................................................................................................................15第3章MIMO的应用...............................................................................................................................173.1MIMO模式概述...............................................................................................................................173.2典型应用场景..................................................................................................................................193.2.1MIMO部署.............................................................................................................................193.2.2发射分集的应用场景............................................................................................................213.2.3闭环空间复用的应用场景....................................................................................................223.2.4波束成形的应用场景............................................................................................................23第4章MIMO系统性能分析...................................................................................................................254.1MIMO系统仿真结果分析...............................................................................................................254.2MIMO系统仿真结果汇总...............................................................................................................271第1章系统概述知识点MIMO基本概念LTE系统中的MIMO模型1.1MIMO基本概念多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破。通常，多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素，然而，多天线技术却能将多径作为一个有利因素加以利用。MIMO(MultipleInputMultipleoutput：多输入多输出)技术利用空间中的多径因素，在发送端和接收端采用多个天线，如下图所示，通过空时处理技术实现分集增益或复用增益，充分利用空间资源，提高频谱利用率。图1.1-1MIMO系统模型总的来说，MIMO技术的基础目的是：●提供更高的空间分集增益：联合发射分集和接收分集两部分的空间分集增益，提供更大的空间分集增益，保证等效无线信道更加“平稳”，从而降低误码率，进一步提升系统容量；●提供更大的系统容量：在信噪比SNR足够高，同时信道条件满足“秩1”，则可以在发射端把用户数据分解为多个并行的数据流，然后分别在每根发送天线上进行同时刻、同频率的发送，同时保持总发射功率不变，最后，再由多元接收天线阵根据各个并行数据流的空间特性，在接收机端将其识别，并利用多用户解调结束最终恢复出原数据流。MIMO基本原理介绍21.2LTE系统中的MIMO模型无线通信系统中通常采用如下几种传输模型：单输入单输出系统SISO、多输入单输出系统MISO、单输入多输出系统SIMO和多输入多输出系统MIMO。其传输模型如下图所示。图1.2-1典型传输模型示意图在一个无线通信系统中，天线是处于最前端的信号处理部分。提高天线系统的性能和效率，将会直接给整个系统带来可观的增益。传统天线系统的发展经历了从单发/单收天线SISO，到多发/单收MISO，以及单发/多收SIMO天线的阶段。为了尽可能的抵抗这种时变-多径衰落对信号传输的影响，人们不断的寻找新的技术。采用时间分集（时域交织）和频率分集（扩展频谱技术）技术就是在传统SISO系统中抵抗多径衰落的有效手段，而空间分集（多天线）技术就是MISO、SIMO或MIMO系统进一步抵抗衰落的有效手段。LTE系统中常用的MIMO模型有下行单用户MIMO（SU-MIMO）和上行多用户MIMO（MU-MIMO）。SU-MIMO（单用户MIMO）：指在同一时频单元上一个用户独占所有空间资源，这时的预编码考虑的是单个收发链路的性能，其传输模型如下图所示。第1章系统概述3图1.2-2单用户MIMOMU-MIMO（多用户MIMO）：多个终端同时使用相同的时频资源块进行上行传输，其中每个终端都是采用1根发射天线，系统侧接收机对上行多用户混合接收信号进行联合检测，最后恢复出各个用户的原始发射信号。上行MU-MIMO是大幅提高LTE系统上行频谱效率的一个重要手段，但是无法提高上行单用户峰值吞吐量。其传输模型如下图所示。图1.2-3多用户MIMO5第2章MIMO基本原理知识点MIMO系统模型MIMO系统容量MIMO关键技术2.1MIMO系统模型MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。下图所示为MIMO系统的原理图。图2.1-1多入多出系统原理在发射器端配置了Nt个发射天线，在接收器端配置了Nr个接收天线，xj（j＝1,2,……Nt）表示第j号发射天线发射的信号，ri（i＝1,2,……Nr）表示第i号接收天线接收的信号，hij表示第j号发射天线到第i号接收天线的信道衰落系数。在接收端，噪声信号ni是统计独立的复零均值高斯变量，而且与发射信号独立，不同时刻的噪声信号间也相互独立，每一个接收天线接收的噪声信号功率相同，都为σ2。假设信道是准静态的平坦瑞利衰落信道。MIMO系统的信号模型可以表示为：MIMO基本原理介绍6写成矩阵形式为：r=Hx+nMIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。2.2MIMO系统容量系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。无线信道容量是评价一个无线信道性能的综合性指标，它描述了在给定的信噪比(SNR)和带宽条件下，某一信道能可靠传输的传输速率极限。传统的单输入单输出系统的容量由香农(Shannon)公式给出，而MIMO系统的容量是多天线信道的容量问题。假设：在发射端，发射信号是零均值独立同分布的高斯变量，总的发射功率限制为Pt，各个天线发射的信号都有相等的功率Nt/Pt。由于发射信号的带宽足够窄，因此认为它的频率响应是平坦的，即信道是无记忆的。在接收端，噪声信号ni是统计独立的复零均值高斯变量，而且与发射信号独立，不同时刻的噪声信号间也相互独立，每一个接收天线接收的噪声信号功率