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1、原 理 与 应 用,MIMO（multiple input multiple output）,朱鹏鹏 20110702114余洋 201107021冯瑜 201107021高贺 201107021,MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。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SI
2、MO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。该技术在第四代移动通信技术标准中被广泛采用,2,MIMO用在哪里,MIMO是什么,3,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
3、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。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。,4,OUR LONG LIST OF SERVICES,MIMO的优点在哪里,信道容量,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。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=min(M,N)Blog2(/2
4、)其中B为信号带宽，为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。,5,6,主要通过多个天线发射不同的正交波形，同时覆盖较大空域，并利用长时间相干积累来获得较高的信噪比,MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列,下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术，即在基站端放置多
5、个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成MIMO通信链路,在MIMO技术的研究中发现，传统的分布式天线系统与MIMO技术相结合可以提高系统容量,SOME RANDOM SUBTITLE,MIMO应用范围,MIMO雷达,蜂窝移动通信系统,无线宽带WiFi,与分布式无线通信结合,阵列雷达系统是由许多相近空间中能发射或接收信号的无方向性天线组成,即满足发射阵列或接收阵列阵元的信号间有高度的相关性,能综合/同时形成多个波束并且同时扫描整个空域,但性能受到目标起伏的限制。目标在距离和方位的任何微小变化都能导致目标反射能量大幅增加或减少。RCS的减小使得回波能量减少以至于无法检测目标。,7,传
6、统阵列雷达与MIMO雷达的区别,MIMO统计雷达将发射机和接收机传感器分开,发射机传感器阵列各个天线间距非常大,以至于对空间目标形成角展宽(空间分集);接收机传感器阵列的各个天线间距紧密,进行测向。每个收发天线对之间形成一个MIMO子信道,不同的发射/接收通道之间(即MIMO相互子通道之间)信号去相关,回波的平均接收能量近似为常数(因空间分集,近似RCS基本不变)。,MIMO雷达,8,MIMO雷达的接收端处理,MIMO雷达使用多个正交的信号来探测目标,接收端的每个阵元接收所有发射信号并通过匹配滤波组分选得到多路回波,从而引入了远多于实际物理阵元数目的观测通道和自由度,与传统的单/多基地或相控阵
7、雷达相比极大地提高了雷达的总体性能。空间并存的多观测通道使得MIMO雷达能够实时采集携带有目标不同幅度、时延或相位信息的回波数据。这种并行多通道获取信息的能力正是MIMO雷达的根本优势所在。MIMO雷达在体制上的优势决定了其具有广阔的应用前景。,目前没有第四代移动通信的确切定义，但比较认同的解释是：“第四代移动通信的概念可称为宽带接入和分布网络,具有非对称的和超过2Mbit/s 的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作的广播网络和卫星系统等。此外，第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，可以提供的数据传输速率高达100Mbit/s 甚至更高，也是
8、宽带接入IP 系统”。简单而言，4G 是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路。这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量,需要频谱效率极高的技术。MIMO 技术充分开发空间资源,利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。OFDM 技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交,可以高效地利用频谱资源，另外，OFDM 将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此充分开发这两种技术的潜力,将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案。,9,SOME RANDOM SUBTITLE,MIMO与4G网络,根据
9、多径信道在频域中表现出来的频率选择性衰落特性，提出正交频分复用的调制技术。如图2 所示，正交频分复用的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输，在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立传输。如果每个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的，即每个子信道都可看作无符号间干扰(ISI)的理想信道，这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地解调。在OFDM 系统中，在OFDM 符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，消除OFDM 符号之间的
10、干扰。,10,4G网络的核心技术OFDM(正交频分复用）,MIMO 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO 可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO 系统依然是无能为力。目前解决MIMO 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM 技术是4G 的核心技术，4G 需要极高频谱利用率的技术，而OFDM 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM 的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO-OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外ODFM 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保
11、护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM 系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。下面给出MIMO-OFDM 的结合方案。,11,OFDM与MIMO结合的4G网络,在本方案中的数据进行两次串并转换，首先将数据分成N 个并行数据流，将这N 个数据流中的第n(n1，N)个数据流进行第二次串并转换成L 个并行数据流，分别对应L 个子载波，将这L 个并行数据流进行IFFT 变换，将信号从频域转换到时域，然后从第n(n1，N)个天线上发送出去。这样共有NL 个M-QAM 符号被发送。整个MIMO 系统假定具有
12、N个发送天线，M 个接收天线。在接收端第m(m1，M)个天线接收到的第l 个子载波的接收信号为：,12,其中Hm,n,l 是第l 个子载波频率上的从第n 个发送天线到第m 个接收天线之间的信道矩阵，并且假定该信道矩阵在接收端是已知的，Cn,l 是第个子载波频率上的从第n 个发送天线发送的符号，m,l 是第l 个子载波频率上的从第m 个接收天线接收到的高斯白噪声。这样在接收端接收到的第l 个子载波频率上的N个符号可以通过V-BLAST 算法进行解译码，重复进行L 次以后，NL 个M-QAM 符号可以被恢复。,将OFDM 和MIMO 两种技术相结合就能达到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种
13、是通过分集实现很强的可靠性，同时，在MIMO-OFDM 中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。,13,14,传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损耗，能够在小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角，提高通信服务质量。最近在MIMO技术的研究中发现，传统的分布式天线系统与MIMO技术相结合可以提高系统容量，这种新的分布式MIMO系统结构分布式无线通信系统(DWCS)为MIMO技术的重要研究热点。,MIMO与传统分布式天线系统,在采用分布式MIMO的DWCS系统中，分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接。具有多天线的移动台和分散在附近的基
14、站天线进行通信，与基站建立了MIMO通信链路。这样的系统结构不仅具备了传统的分布式天线系统的优势，减少了路径损耗，克服了阴影效应，同时还通过MIMO技术显著提高了信道容量。与集中式MIMO相比，DWCS的基站天线之间距离较远，不同天线与移动台之间形成的信道衰落可以看作完全不相关，信道容量更大。总体上说，分布式MIMO系统的信道容量更大，系统功耗更小，系统覆盖性能更好，系统具有更好的扩展性和灵活性。分布式MIMO的DWCS系统也带来了一些新问题。移动台和小区内邻近的天线建立的MIMO链路，由于基站不同天线的位置不同，它们距离移动台的距离不同，使得基站端的多个天线的信号到达移动台的延时也不同，因此
15、带来新的研究问题。目前在这方面研究较多的是进行容量分析。除此之外的研究内容还包括：具体的同步技术、信道估计、天线选择、发射方案、信号检测技术等，这些问题有待深入研究。,15,DWCS与MIMO结合的好处与缺陷,MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容。,16,B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中，正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中，如超宽带(UWB)系统、感知无线电系统(CR)，都在考虑应用MIMO技术,然而，随着使用天线数目的增加，MIMO技术实现的复杂度大幅度增高，从而限制了天线的使用数目，不能充分发挥MIMO技术的优势。目前，如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度，成为业界面对的巨大挑战。,与发展瓶颈,MIMO在通信产业中的趋势,THANKS,END,
