MIMO系统原理与标准概述.
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mimo 功率分配算法摘要:一、引言二、MIMO功率分配算法简介1.MIMO系统概述2.功率分配算法的重要性三、MIMO功率分配算法分类1.最大化信道容量算法2.最大化系统吞吐量算法3.节能算法四、常见MIMO功率分配算法详解1.最大信道容量算法实例2.最大系统吞吐量算法实例3.节能算法实例五、算法性能比较与分析1.仿真环境与参数设置2.性能评价指标3.结果分析与讨论六、结论与展望正文:一、引言随着无线通信技术的快速发展,多输入多输出(MIMO)系统已成为第四代移动通信(4G)及其后续版本的关键技术。
在MIMO系统中,多个发射天线和接收天线相互协作,提高系统性能。
功率分配是MIMO系统中至关重要的环节,合理的功率分配算法可以有效提高系统性能、降低功耗。
本文将对MIMO功率分配算法进行综述,分类介绍各类算法,并通过实例分析算法性能。
二、MIMO功率分配算法简介1.MIMO系统概述MIMO系统利用空间多样性实现多路复用,提高信道容量和系统吞吐量。
在MIMO系统中,发送端和接收端各有多个天线,可以分为以下几种配置:天线数量相等、发送端多于接收端、接收端多于发送端以及分布式MIMO。
2.功率分配算法的重要性在MIMO系统中,功率分配算法的作用在于合理地将总功率分配给各个天线,使系统性能达到最优。
功率分配算法需要考虑的因素包括:信道状态信息、传输速率、传输时延、功耗等。
三、MIMO功率分配算法分类1.最大化信道容量算法最大化信道容量算法旨在实现每个天线单元的最大信道容量。
这类算法通常基于最大化独立子信道容量原则,如water-filling 算法、empirical mode decomposition(EMD)算法等。
2.最大化系统吞吐量算法最大化系统吞吐量算法关注整个系统的吞吐量,而非单个天线的信道容量。
这类算法主要包括注水算法、轮询算法等。
3.节能算法节能算法主要针对绿色通信需求,通过降低功耗实现系统性能优化。
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信道容量
MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术最早由Marconi 于1908 年提出,其初衷在于利用多天线来抑制信道衰落。
根据收发两端天线的数量,相对于SISO(Single Input Single Output)系统,MIMO 系统还可以包括SIMO(Single Input Multiple Output)系统和MISO (Multiple Input Single Output)系统。
这个技术可以被看做是一种多通道数据传输技术。
当然,MIMO 技术也可以被认为是一种新型的智能天线技术,因为无论是多个发射天线还是多个接收天线,其实都是给信号传输提供了一种新的自由度,多个发送/接收天线可以使用不同的发射功率,可以使用不同的天线极化方向,配置不同的天线参数,这为原有的“点对点”单通道通信开拓了新空间。
但研究MIMO 信道必须明确两个前提:首先MIMO 系统是一种功率受限系统,多天线不等于高功率,随着天线的个数的增加而提高功率是没有意义也是不允许的;其次MIMO 信道在空间构成的是“碟形”空间射频链路,这种“碟形”不是仅仅带来了空间多信道的优点,同时多信道也面临接收端接收来自各个天线上信号的一个识别问题。
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 (1)1.1 MIMO基本概念 (1)1.2 LTE系统中的MIMO模型 (2)第2章 MIMO基本原理 (5)2.1 MIMO系统模型 (5)2.2 MIMO系统容量 (6)2.3 MIMO关键技术 (7)2.3.1 空间复用 (7)2.3.2 空间分集 (9)2.3.3 波束成形 (13)2.3.4 上行天线选择 (14)2.3.5 上行多用户MIMO (15)第3章 MIMO的应用 (17)3.1 MIMO模式概述 (17)3.2 典型应用场景 (19)3.2.1 MIMO部署 (19)3.2.2 发射分集的应用场景 (21)3.2.3 闭环空间复用的应用场景 (22)3.2.4 波束成形的应用场景 (23)第4章 MIMO系统性能分析 (25)4.1 MIMO系统仿真结果分析 (25)4.2 MIMO系统仿真结果汇总 (27)第1章系统概述知识点MIMO基本概念LTE系统中的MIMO模型1.1 MIMO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 (Multiple Input Multiple output: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 1.1-1 MIMO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通道间的隔离度摘要:1.MIMO 系统的概述2.MIMO 通道间的隔离度的定义3.MIMO 通道间隔离度的重要性4.影响MIMO 通道间隔离度的因素5.提高MIMO 通道间隔离度的方法6.总结正文:一、MIMO 系统的概述MIMO(多输入多输出)系统是一种无线通信技术,它利用多个发射天线和接收天线,通过空间复用技术来提高无线信道的传输速率和系统容量。
在MIMO 系统中,数据流通过多个通道同时传输,从而实现多用户共享无线资源的目的。
二、MIMO 通道间的隔离度的定义MIMO 通道间隔离度是指在MIMO 系统中,各个数据通道之间的信号相互干扰程度。
通常用分隔系数(isolation coefficient)或者隔离度(isolation)来衡量。
分隔系数是某个通道的信号能量与所有其他通道信号能量的比值,而隔离度则是分隔系数的常用对数。
三、MIMO 通道间隔离度的重要性MIMO 通道间隔离度是影响MIMO 系统性能的关键因素之一。
较高的隔离度可以降低多径效应、频率选择性衰落以及信道间干扰等因素对系统性能的影响,从而提高系统的传输速率和信道容量。
另外,通道间隔离度对于MIMO 系统的信道估计、均衡以及空时编码等关键技术也具有重要意义。
四、影响MIMO 通道间隔离度的因素1.天线间距:天线间距是影响MIMO 通道间隔离度的重要因素。
一般来说,天线间距越大,通道间隔离度越高。
2.天线方向图:天线方向图是描述天线辐射特性的一种图示方法。
天线方向图的旁瓣水平和旁瓣间距对MIMO 通道间隔离度有较大影响。
3.信道特性:信道特性包括信道增益、信道损耗以及多径传播等,这些因素都会影响MIMO 通道间隔离度。
4.系统参数:系统参数包括发射功率、接收阈值以及调制方式等,这些参数也会对MIMO 通道间隔离度产生影响。
五、提高MIMO 通道间隔离度的方法1.合理设置天线间距:通过调整天线间距,可以有效提高MIMO 通道间隔离度。
文章标题:5G上行MU-MIMO的实现原理与应用1. 5G通信技术简介5G作为第五代移动通信技术,正日益成为人们关注的焦点。
其不仅在速度上有了质的飞跃,还在连接性能、网络能力、灵活性和可定制性等方面有了大幅提升。
本文将聚焦在5G上行MU-MIMO的实现原理及应用上进行深入探讨。
2. 上行MU-MIMO技术概述上行MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output)是5G通信系统中的一项重要技术,在多用户通信场景中具有广泛的应用。
其通过多天线接收,多用户同时发送,实现了多个用户同时使用同一频段的上行通信,显著提高了上行通信的效率和容量。
3. 上行MU-MIMO的实现原理在传统的通信系统中,多用户间的上行通信往往需要通过时分复用或频分复用等方式进行调度,导致通信效率不高。
而上行MU-MIMO 技术通过利用多天线接收,可以同时接收来自多个用户的信号,并通过信道估计、干扰消除和波束赋形等技术,实现对多个用户信号的分离与识别,进而提高了上行通信的效率和容量。
4. 上行MU-MIMO的应用场景上行MU-MIMO技术在5G通信系统中具有广泛的应用场景,如密集城区、高速铁路、体育场馆等人口密集和信道质量变化较快的环境中,都可以通过上行MU-MIMO技术实现多用户间的同时通信,提高了系统的容量和覆盖效果。
5. 个人观点及展望5G上行MU-MIMO技术作为5G通信系统中的重要技术之一,对提高系统的容量和效率具有重要意义。
未来,随着5G通信系统的不断完善和发展,上行MU-MIMO技术有望在更多的场景中得到应用,为用户提供更快、更稳定的上行通信服务。
6. 总结通过本文对5G上行MU-MIMO技术的实现原理及应用场景进行深入探讨,相信读者已经对该技术有了更深入的了解。
未来,随着5G通信技术的逐步商用和发展,上行MU-MIMO技术必将在5G通信系统中发挥越来越重要的作用,为用户提供更加高效和稳定的上行通信服务。
理解FDA-MIMO原理及其应用摘要:本文档旨在详细解释频分阵列多输入多输出(Frequency Division Array - Multiple Input Multiple Output, FDA-MIMO)技术的基本原理、设计要点以及应用场景。
通过深入探讨FDA-MIMO与传统MIMO技术的差异,本文为读者提供了对这一高级无线通信技术概念的全面理解,并通过逻辑清晰的叙述和详细的图解,使内容易于理解。
I. 引言在无线通信领域,为了满足日益增长的数据速率需求和连接可靠性要求,研究人员和工程师不断寻求新的技术来提升系统性能。
FDA-MIMO作为一种新兴的技术,它通过在传统MIMO的基础上引入频率维度,实现了更加灵活和高效的空间资源利用。
II. MIMO技术概述多输入多输出(MIMO)技术是无线通信中一项关键的技术,它通过在发送端和接收端使用多个天线来传输和接收数据,显著提高了通信系统的容量和效率。
III. FDA-MIMO技术介绍FDA-MIMO是一种结合了频率分集和空间分集的MIMO技术。
它不仅利用空间维度进行信号处理,还通过在阵列天线中分配不同的频率给不同的天线元素,实现更细致的波束控制和信号指向。
IV. FDA-MIMO的工作原理详细阐述FDA-MIMO如何通过频率偏移来实现不同方向的波束形成,以及它是如何通过调整每个天线元素的频率来控制波束的方向和形状。
V. FDA-MIMO与传统MIMO的比较对比分析FDA-MIMO与传统MIMO技术的优势和不足,包括在系统容量、信号稳定性、能耗和复杂性等方面的差异。
VI. FDA-MIMO的设计要点讨论在设计FDA-MIMO系统时需要考虑的关键因素,如天线元素间的频率分配、波束形成的算法选择、硬件实现的复杂度等。
VII. FDA-MIMO的挑战与限制分析当前FDA-MIMO技术面临的主要挑战,例如同步问题、信道估计的复杂性、硬件成本和功耗问题等。
VIII. FDA-MIMO的应用案例展示FDA-MIMO技术在实际中的应用案例,如智能交通系统、下一代无线网络、物联网设备等领域的应用。
mimo通道间的隔离度(原创实用版)目录1.MIMO 系统的概述2.MIMO 通道间的隔离度的定义和重要性3.MIMO 通道间隔离度的影响因素4.MIMO 通道间隔离度的提高方法5.MIMO 通道间隔离度在实际应用中的作用正文一、MIMO 系统的概述MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)系统是一种采用多个发送天线和接收天线的无线通信技术。
通过使用多个天线,MIMO 系统能够在保证信号传输质量的同时,提高信道容量,从而实现更高的数据传输速率。
在 MIMO 系统中,发送端将数据分成多个独立数据流,通过多个天线同时发送,接收端则通过多个天线接收这些数据流。
二、MIMO 通道间的隔离度的定义和重要性MIMO 通道间的隔离度是指在 MIMO 系统中,各个发送天线与接收天线之间的信号隔离程度。
通道间隔离度对于 MIMO 系统的性能至关重要,因为它直接影响到系统中的信道容量、信号传输质量和多径分集效果。
较高的通道间隔离度可以降低多径效应对系统性能的影响,提高系统的可靠性和稳定性。
三、MIMO 通道间隔离度的影响因素MIMO 通道间隔离度受多种因素影响,主要包括:1.天线间距:天线间距越大,通道间隔离度越高,但同时会增加系统的复杂性和成本。
2.天线方向图:天线方向图的形状和宽度直接影响到通道间隔离度。
理想的天线方向图应该具有较高的旁瓣抑制能力和窄的波束宽度。
3.天线配置:天线的排列方式和连接方式对通道间隔离度产生重要影响。
合理的天线配置可以提高通道间隔离度,从而提高系统性能。
4.信道特性:信道特性包括信道增益、信道衰落等,这些因素会影响到 MIMO 系统的通道间隔离度。
四、MIMO 通道间隔离度的提高方法为了提高 MIMO 通道间隔离度,可以采取以下方法:1.增加天线间距:通过增加天线间距,可以提高通道间隔离度,但需要注意平衡系统性能和复杂性。
2.选择合适的天线方向图:选择具有高旁瓣抑制能力和窄波束宽度的天线方向图,可以有效提高通道间隔离度。
《大规模MU-MIMO系统中高性能波束赋形技术研究》篇一一、引言随着移动互联网的飞速发展,无线通信技术已成为人们生活中不可或缺的一部分。
多用户多输入多输出(MU-MIMO)技术作为第五代移动通信(5G)的核心技术之一,以其显著提高频谱效率和系统容量的优势,得到了广泛关注。
而波束赋形技术作为MU-MIMO系统中的关键技术之一,对于提升系统性能和用户体验具有至关重要的作用。
因此,针对大规模MU-MIMO系统中高性能波束赋形技术的研究显得尤为重要。
二、大规模MU-MIMO系统概述大规模MU-MIMO系统通过在基站端配备大量的天线阵列,能够在同一时间对多个用户进行数据传输和接收,从而显著提高频谱效率和系统容量。
然而,随着天线数量的增加,系统复杂性和信号处理难度也相应增加。
因此,如何在大规模MU-MIMO系统中实现高性能的波束赋形技术,成为了当前研究的热点问题。
三、高性能波束赋形技术3.1 波束赋形基本原理波束赋形技术是通过调整天线阵列中各个天线的权重,使得信号在特定方向上形成较强的能量集中,从而提高信号的信噪比和传输效率。
在大规模MU-MIMO系统中,波束赋形技术能够有效地抑制干扰,提高系统性能。
3.2 关键技术研究(1)波束训练与选择:在大规模MU-MIMO系统中,由于天线数量众多,波束训练和选择成为了一个重要的问题。
研究人员通过设计高效的波束训练算法和选择策略,以降低训练开销和提高系统性能。
(2)波束成形算法:针对不同场景和需求,研究人员提出了多种波束成形算法。
这些算法通过优化天线权重,使得信号在特定方向上形成较强的能量集中。
常见的算法包括最小均方误差算法、最大比合并算法等。
(3)多用户协作波束赋形:为了提高系统性能和用户体验,多用户协作波束赋形技术得到了广泛关注。
该技术通过协调多个用户的天线阵列,使得信号在多个用户之间形成协同的波束赋形效果。
这不仅可以提高系统性能,还可以降低干扰和提高能效。
四、实验与结果分析为了验证高性能波束赋形技术在大规模MU-MIMO系统中的效果,研究人员进行了大量的实验和分析。
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 (1)1.1 MIMO基本概念 (1)1.2 LTE系统中的MIMO模型 (2)第2章 MIMO基本原理 (5)2.1 MIMO系统模型 (5)2.2 MIMO系统容量 (6)2.3 MIMO关键技术 (7)2.3.1 空间复用 (7)2.3.2 空间分集 (9)2.3.3 波束成形 (13)2.3.4 上行天线选择 (14)2.3.5 上行多用户MIMO (15)第3章 MIMO的应用 (17)3.1 MIMO模式概述 (17)3.2 典型应用场景 (19)3.2.1 MIMO部署 (19)3.2.2 发射分集的应用场景 (21)3.2.3 闭环空间复用的应用场景 (22)3.2.4 波束成形的应用场景 (23)第4章 MIMO系统性能分析 (25)4.1 MIMO系统仿真结果分析 (25)4.2 MIMO系统仿真结果汇总 (27)第1章系统概述知识点MIMO基本概念LTE系统中的MIMO模型1.1 MIMO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 (Multiple Input Multiple output: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 1.1-1 MIMO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技术MIMO(多入多出技术(Multiple-Input Multiple-Output)技术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。
▍MIMO概述MIMO能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。
▍MIMO关键技术空分复用(spatial multiplexing)工作在MIMO天线配置下,能够在不增加带宽的条件下,相比SISO系统成倍地提升信息传输速率,从而极大地提高了频谱利用率。
在发射端,高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流,不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。
如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同,即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度,使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别,因此接收机能够区分出这些并行的子数据流,而不需付出额外的频率或者时间资源。
空间复用技术在高信噪比条件下能够极大提高信道容量,并且能够在“开环”,即发射端无法获得信道信息的条件下使用。
Foschini等人提出的“贝尔实验室分层空时”(BLAST)是典型的空间复用技术。
空间分集(spatial diversity):利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途径发送相同的资料,以增强资料的传输品质。
波束成型(beamforming):借由多根天线产生一个具有指向性的波束,将能量集中在欲传输的方向,增加信号品质,并减少与其他用户间的干扰。
预编码(precoding):预编码主要是通过改造信道的特性来实现性能的提升。
以上 MIMO 相关技术并非相斥,而是可以相互配合应用的,如一个 MIMO 系统即可以包含空分复用和分集的技术。
▍MIMO技术优势无线电发送的信号被反射时,会产生多份信号。
MIMOMIMO属于空间分集简介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。
概述MIMO 表示多输入多输出。
读/maimo/或/mimo/,通常美国人读前者,英国人读后者,国际上研究这一领域的专家较多的都读/maimo/。
在第四代移动通信技术标准中被广泛采用,例如IEEE 802.16e (Wimax),长期演进(LTE)。
在新一代无线局域网(WLAN)标准中,通常用于 IEEE 802.11n,但也可以用于其他 802.11 技术。
MIMO 有时被称作空间分集,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。
优点MIMO 技术的应用,使空间成为一种可以用于提高性能的资源,并能够增加无线系统的覆盖范围。
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,并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。
多天线系统的应用,使得多达 min(Nt,Nr)的并行数据流可以同时传送。
同时,在发送端或接收端采用多天线,可以显著克服信道的衰落,降低误码率。
一般的,分集增益可以高达Nt*Nr。
宽带通信中的MIMO技术及其应用一、概述随着无线通信中频率资源的不断增加,为了满足高速数据传输的需求,多天线系统已经成为了一种有效的解决方案,MIMO技术正是其中之一。
MIMO技术可以大幅度提高无线信号的可靠性和响应速度,极大地推进了宽带通信的发展和进步。
本文将对MIMO技术进行详细的介绍和探讨。
二、MIMO技术原理MIMO是Multiple-Input Multiple-Output的缩写,即多输入多输出技术。
在传统的无线通信中,所谓的天线就只是一根天线,负责接收或者发送数据,而MIMO技术中,则是采用多个天线来同时传输和接收数据。
根据MIMO技术的原理,可以把信道变成多个独立的子信道,从而提供更多的传输容量和更高的频谱效率。
而这一过程中所需要的信息则来自于多个发射天线和接收天线之间的独立信道,通过这一方式可以大大增加无线信号的稳定性和可靠性,同时也可以提高无线通信的速度和容量。
三、MIMO技术应用MIMO技术在现代通信中的应用非常广泛,以下是几个典型的应用场景:1. Wi-Fi技术Wi-Fi技术是最早采用MIMO技术的应用之一。
Wi-Fi路由器通常都使用多个天线进行发射和接收数据,可以大幅度提高用户在Wi-Fi环境下的上网速度和稳定性。
2. 4G LTE技术4G LTE技术也是常用的MIMO应用,4G LTE基站中通常都会配备多个天线用于发射和接收数据,可以提高传输速度和网络质量。
3. 现代无线电视MIMO技术也被广泛应用于现代无线电视中。
电视天线可以使用多个天线接收信号,从而提高画质和信号稳定性。
4. 移动通信中的中继站中继站是移动通信网络中用于增强信号的一种技术。
MIMO技术可以让中继站同时接收多天线发出的信号,从而提高信号质量和覆盖范围。
四、MIMO技术的优缺点优点:1. 增加了传输容量和频谱效率。
2. 提高了无线信号的稳定性和可靠性。
3. 改善了用户体验,提高了网络上网速度和质量。
4. 对信噪比的要求比较低。
MIMO系统原理与标准概述【文章摘要】在过去几年中,无线业务变得越来越重要,同时对更高网络容量和更高性能的需求不断增长。
几种选择方式如更高带宽、优化的调制方式甚至代码复用系统实际上提高频谱效率的潜力有限。
MIMO系统通过采用天线阵列,利用空间复用技术来提高所使用带宽的效率。
对更高网络容量和更高无线网络性能的需求是不变的。
多输入多输出(MIMO)系统能极大地改善频谱效率,因此MIMO将在很多未来的无线通信系统中扮演重要角色。
本文将概述MIMO系统的原理和这些系统的标准化。
在过去几年中,无线业务变得越来越重要,同时对更高网络容量和更高性能的需求不断增长。
几种选择方式如更高带宽、优化的调制方式甚至代码复用系统实际上提高频谱效率的潜力有限。
MIMO系统通过采用天线阵列,利用空间复用技术来提高所使用带宽的效率。
MIMO系统利用来自一个信道的多个输入和多个输出。
这些系统是用空间分集和空间复用定义的。
空间分集分为Rx和Tx分集。
信号的副本从另外一个天线发送或在多个天线处接收。
采用空间复用,系统能在一个频率上同时传输一个以上的空间数据流。
MIMO是在802.11n、802.16-2004和802.16e以及3GPP中制定的。
包含MIMO的更新的标准是IEEE802.20和802.22。
本应用笔记将概述MIMO系统的原理以及这些系统的标准化。
本文将用到WCDMA、OFDM和天线阵列的基础知识。
MIMO信道非MIMO系统用几个频率通过多个信道链接。
MIMO信道具有多个链路,工作在相同的频率。
该技术的挑战是所有信号路径的分离和均衡。
信道模型包括具有直接和间接信道分量的H矩阵。
直接分量(例如h11)描述信道平坦度,而间接分量(例如h21)代表信道隔离。
发送信号用s代表,接收信号用r代表。
时间不变的窄带信道定义为:了解H对于解码来说是必要的,并通过一个已知的训练序列估计。
如果接收器将信道近似值发送到发送器,则可以用来进行预编码。
预编码能改善MIMO性能。
香农推出了下列公式,可以计算理论信道容量。
它包括了传输带宽fg和信噪比。
大多数信道容量的改善都是基于带宽扩展或者其他调制。
这些因素并不能很大地提高频谱效率。
MIMO系统的香农容量又决定于天线的数量。
M 是最小的MT(发送天线的数量)或MR(接收天线的数量),表示空间信息流的数量。
例如,一个2x3的系统只能支持两个空间数据流,这个结果同样适用于2x4的系统。
对于MIMO,下面的公式给出容量的计算方法:MIMO容量随着天线的数量呈线性增加。
不对称的天线星座分布(例如1x2或2x1)被称为接收或发送分集。
在这些情况下容量(CTx/Rx)随天线的数量呈对数形式的增长。
空间复用通过一个以上的天线发送多组数据流称为空间复用。
有两种类型必须考虑。
第一种类型为V-BLAST(Vertical Bell实验室分层空间-时间),它发送空间未编码的数据流,不需要考虑在接收器上对信号进行均衡处理。
第二种类型是通过空间-时间编码实现的。
与V-BLAST相比,空间时间编码提供正交编码方式,因此是独立的数据流。
V-BLAST方法不能分离数据流,因此会出现多个数据流的干扰(MSI)。
这会使传输变得不稳定,而前向错误编码并不总是能解决这个问题。
空间-时间编码信号的检测基于一种简单的线性处理,并获得合理的结果。
空间复用的优势是,容量的增加与发送天线的数量线性相关。
空间分集空间复用可以提供更高的容量,但是信号质量并无改善。
空间复用不仅没有提高信号质量,反而使信号质量降低了。
空间分集能改善信号质量,并在接收端达到更高的信噪比。
特别是在广大的网络区域,空间复用技术达到了自身的极限。
网络环境越大,信号强度就必须越高。
分集原理依赖于结构化冗余的传输。
这种冗余可以在任何时间,从任何天线、通过任何频率,或者以任何极化方式传输。
而目前在MIMO技术中并没有考虑后一种方法。
必须考虑两种空间分集:1. Tx分集,一个信号的副本从另外一个天线发送(例如2x1);2. Rx分集,接收到的信号进行多次评估(例如2x1)。
第一种可以与单声道和立体声信号相比。
如果是立体声信号,人耳可以感受到更好的声音效果。
第二种分集类似于两只耳朵,所听到的效果比单只耳朵更好。
图1:MIMO物理信道的空间-时间编解码为利用Tx分集,可以采用所谓的Alamouti空间-时间编码(见图3)。
它可以获得完全的分集,只使用一个接收天线。
通过采用比发送天线更多的接收天线和一种合适的组合算法,可以使用Rx分集。
交换组合或最大定量组合是两个算法的例子。
如果信道矩阵已知,这些算法与分集类型无关。
用于空间分集的接收器算法见图2。
通过近场空间复用和远场空间分集,可以实现无线通信系统的最佳性能和覆盖范围。
图2:图2用于空间分集的接收器算法,A和B为相同的信号空间-时间编码空间-时间编码改善了性能,并使空间分集可以使用。
信号的副本不仅从另外一个天线发送,而且在另外的时间发送。
这种延时发送称为延时分集。
空间-时间编码结合了空间和时间信号副本,如图3所示。
图3:用于2个Tx天线空间-时间编码的Alamouti空间-时间块编码信号s1和s2在两个数据链中复用。
之后,加入一个信号复制来产生Alamouti空间-时间块编码。
空间-时间编码可以用两种不同的方法设计:1. 空间-时间块编码(STBC)(2个发送天线=Alamouti编码,见图3);2. 终态状态机(FSM)产生空间-时间Trellis编码(STTC)。
第一种编码是获得空间分集的最简单方法,得到了广泛的应用。
目前第二种编码更复杂并且昂贵。
对于超过两个天线的情况,图4中列出了几种伪Alamouti编码。
图4:用于超过两个发送天线的复合Alamouti编码图4中的编码指数首先与天线的数量有关,其次与空间数据流的数量相关。
除了S42,这些编码不能获得完全分集,并且四个数据流只能通过空间复用实现,没有任何空间分集。
图5中的编码基于实际的空间-时间块编码设计,并产生具有完全空间复用的完全分集。
图5:用于3个Tx天线的空间-时间块编码这种编码的问题是码率。
码率是所使用信号与传输所需要时间的比值。
上面的编码具有1/2的码率。
V ahid Tarokh开发了一种优化的空间-时间块编码,用于将码率增加到3/4。
这种准正交STBC(见图6)很有效,但是允许一定的符号间干扰(ISI)。
图6:用于3个Tx天线的优化的空间-时间块编码尽管存在符号间干扰,误码率(BER)依然在允许范围内。
这些编码都不能用来获得像Alamouti那样的全码率。
空间数据流的数量不能超过现有天线的数量。
注意空间分集和空间复用间的折衷对于可靠和强大的MIMO系统很重要。
在某些情况出现宏分集的概念。
这种分集可以用在MIMO系统中,但是与这些系统无关。
如果终端设备同时连接到多个基站,宏分集用于基站切换处理。
用户终端从几个方向接收到相同的信号,并将所有的信号组合起来获得更高的SNR。
天线系统在增加网络容量上,天线技术很关键。
这种技术开始于分扇区天线。
这些天线覆盖60或120度,作为一个蜂窝运行。
在GSM中,采用120度天线容量可以扩大到3倍。
自适应天线阵列采用窄波束加强空间复用。
智能天线属于自适应天线阵列,但是在智能DoA(到达方向)估计上不同。
智能天线独立于任何的支持的反馈,对用户终端是透明的,可以形成特定用户波束。
可选的反馈可以降低阵列系统的复杂性。
MIMO系统通常需要反馈,并且对用户不是透明的。
波束成形是用于创建天线阵列辐射模式的一种方法。
它可以用在所有的天线阵列以及MIMO系统。
智能天线被分成下面的两类(图7):1. 具有有限个固定预定义模式的相位阵列系统(交换波束形成);2. 具有无数个根据情况实时调整模式的自适应阵列系统(AAS)(自适应波束形成)。
交换波束形成器计算DoA,并接通固定的波束。
如果用户移动时跨越这些固定的波束,信号抖动会导致中断。
换言之,用户只能沿着波束中心才能获得最佳的信号强度。
自适应波束成形器解决了这个问题,会根据移动终端实时调整波束。
这种系统的复杂性和成本高于第一种类型。
图7:交换波束形成和自适应波束形成MIMO和OFDMMIMO可以应用于所有的无线通信技术。
然而,MIMO和正交频分复用(OFDM)的结合具有以下优点:1. OFDM适合于无线系统中的多径传播。
OFDM帧的长度决定于保护间隙(GI)。
这个保护间隙限制最大路径延时,以及与延时相关的网络面积。
MIMO也使用多径传播。
2. OFDM是一种宽带系统,具有很多窄带子频段。
数学MIMO信道模型基于窄带非频率选择性信道。
OFDM也支持后者。
宽带系统的衰落效应通常只发生在特定的频率,与很少的子频带干扰。
数据扩展到所有的频段,因此只有很少的数据位丢失,而这些丢失的数据位可以通过前向纠错(FEC)进行修补。
OFDM提供稳固的多径系统,适合于MIMO。
同时OFDM提供高的频谱效率,以及在几个子频段上空间-时间块编码在时域扩展的一定自由度。
这就可以基于前面描述的原理得到一个更稳固的系统。
MIMO标准表1给出了所有当前的MIMO标准以及它们技术的概述。
表1:当前所有的MIMO标准以及它们相应的技术很明显可以看到,除了3GPP Release 7外,所有的标准都采用OFDM。
很明显OFDM 的优势可以与MIMO联系起来。
供稿:罗德与施瓦茨公司。