MIMO技术教案

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。

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
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。

1.2MIMO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天线2图1-5 STTD发射分集编码方式（2）空频发射分集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。

课程思政优秀案例——《MIMO-OFDM无线通信技术》课程一、课程简介《MIMO-OFDM无线通信技术》为是面向通信工程专业开设的专业课程，主要讲授现代无线通信系统基本框架、各模块的功能和基本算法，OFDM技术发展历程、同步、信道估计、PAPR减小等关键技术，MIMO的信道容量、预编码、接收滤波、天线选择等关键技术。

使学生了解先进数字通信系统所涉及的基础理论，掌握现代数字通信系统的构成，掌握新兴OFDM、MIMO技术的原理及性能分析方法，掌握利用MATLAB进行建模、求解的方法，进一步提高学生理论分析和实践应用能力。

二、思政目标讲授无线通信技术发展历程时，介绍移动通信标准制定过程中，由我国在1G、2G很少参与，到3G、4G、5G的跟跑、并跑、领跑的角色转换。

华为成为5G领先者，华为的专利申请数可以说是遥遥领先于其他公司，让学生充分感受到祖国科学技术的快速发展，厚植家国情怀，增强民族自豪感。

三、案例设计及实施过程（一）思政元素类型民族自豪感、职业理想、职业道德教育。

（二）课堂教学方法教学手段：采用PPT、图片、视频等多媒体形式。

课程思政融入点：讲授多址技术时，一代移动通信体制都具有对应的关键多址技术，移动通信体制制定代表着国家力量、民族实力，从而引出课程思政案例。

（三）元素内容结合多址体制讲授无线通信技术发展历程，介绍移动通信标准制定过程中，中国的通信网络发展经历了“1G空白、2G跟随、3G突破、4G并跑、5G引领”这一曲折艰难的历程。

移动通信的技术标准由1G（模拟蜂窝网/FDMA）、2G（GSM/TDMA、IS95/CMDA）、3G（CDMA2000/ WCDMA/ T-DSCDMA）、4G（LTE/OFDM）发展到如今的5G。

无线通信的标准争夺主要体现在“标准必要专利”的份额。

谁控制了“标准必要专利”，就会在开发新一代先进产业的竞赛中拔得头筹，不仅掌握着核心技术，更会牵涉到知识产权带来的巨大经济利益。

1、引言随着无线互联网多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性亟待提升，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。

采用常规发射分集、接收分集或智能天线技术已不足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。

可幸的是，结合空时处理的多天线技术——多入多出(MIMO)通信技术，提供了解决该问题的新途径。

它在无线链路两端均采用多天线，分别同时接收与发射，能够充分开发空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。

然而，与常规单天线收发通信系统相比，MIMO 通信系统中多天线的应用面临大量亟待研究的问题。

2、MIMO无线通信技术2.1传统单天线系统向多天线系统演进传统无线通信系统采用一副发射天线和一副接收天线，称作单入单出(SISO)系统。

SISO系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈——Shannon容量限制。

针对移动通信中的多径衰落与提高链路的稳定性，人们提出了天线分集技术。

而将天线分集与时间分集联合应用，还能获得空间维与时间维的分集效益。

因此，从传统单天线系统向多天线系统演进是无线通信发展的必然趋势。

2.2智能天线向多天线系统演进智能天线的核心思想在于利用联合空间维度与天线分集，通过最优加权合并而最大化信干噪比，使信号出错的概率随独立衰落的天线单元数目呈指数减小，而系统容量随天线单元数目呈对数增长。

然而，开关波束阵列仅适于信号角度扩展较小的传播环境，且自适应阵列虽可以用于信号角度扩展较大的多径传播环境，但在高强度的多径分量比较丰富的环境下，自适应天线系统抗衰落的能力相当有限，这是因为智能天线技术没有利用多径传播。

由于增大阵元间距与角度扩展及结合空时处理都有利于捕获与分离多径，因此结合天线发射分集与接收分集技术，充分利用而不是抑制多径传播，进一步开发空域资源，提高无线传输性能，成为了无线通信发展的必然趋势，即从智能天线向多天线系统演进。

2.3MIMO无线通信技术MIMO无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于天线分集与智能天线技术，具有二者的优越性，属于广义的智能天线的范畴。

MIMO技术MIMO技术摘要多输入多输出技术（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）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。

为满足未来全球通信在高速移动、增强数据速率等方面的需求，MIMO技术被得以运用，其在提高信道容量，以及提高信道的可靠性、降低误码率方面发挥了极大作用。

提高信道容量是利用MIMO信道提供的空间复用增益；提高信道的可靠性和降低误码率是利用MIMO信道提供的空间分集增益。

同时MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现较高的通信容量和频率利用率。

原理一、MIMO系统的原理D-BLASTD-BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J. Foschini提出。

原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，如图1.b所示，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST(Diagonally- BLAST)。

D-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。

其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。

如图1.b所示，在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证D-BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。

如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M(发送天线数目)个发送时间间隔，那么burst的长度越小，这种浪费越严重。

它的数据检测需要一层一层的进行，如图1.b所示：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b2……V-BLAST另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。