MIMO多天線技術(shù)ppt課件.ppt

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1、移動通信---第三課MIMO多天線技術(shù)MIMO多天線技術(shù)概述MIMO系統(tǒng)容量MIMO傳輸方案MIMO-OFDM技術(shù)概述MIMO（Multiple-InputMultiple-Output）技術(shù)又稱多發(fā)多收天線技術(shù)，能在不增加帶寬和發(fā)送功率的情況下，成倍提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是第四代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO的奠基工作是在20世紀(jì)90年代由貝爾實(shí)驗(yàn)室和AT&T的學(xué)者Telatar,Foshinia,Tarokh,Alamouti等人完成。概述MIMO的核心思想是將單個數(shù)據(jù)符號通過一定映射（編碼、調(diào)制）變換成并發(fā)的多個數(shù)據(jù)符號流發(fā)射出去，在接收端通過先進(jìn)的信號處理

2、技術(shù)和反變換再恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)符號流。MIMO能將多徑影響因素變?yōu)閷νㄐ判阅苡欣脑鰪?qiáng)因素。通過在空間中產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道，同時傳輸多路數(shù)據(jù)流，從而增加系統(tǒng)傳輸速率和頻譜利用率。MIMO系統(tǒng)模型x1x2x3y1y2y3h11h21h31h12h22h32h13h23h33MTTXantennasMRRXantennasMIMO的系統(tǒng)容量多輸入單輸出（MISO）系統(tǒng)（發(fā)送分集、等功率發(fā)送）：多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)：單輸入多輸出（SIMO）系統(tǒng)（接收分集、MRC合并）：單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)：MIMO系統(tǒng)容量隨著天線數(shù)目的增加成線性增加。MIMO系統(tǒng)模型發(fā)送信號：第

3、j根天線發(fā)送xj為零均值i.i.d高斯變量，發(fā)送信號的協(xié)方差矩陣為：總的發(fā)送功率約束為若每根天線發(fā)送相等的信號功率PT/MT，信道矩陣：H為復(fù)矩陣，hij表示第j根發(fā)送天線至第i根接收天線的信道衰落系數(shù)。歸一化約束：每一根天線的接收功率均等于總的發(fā)送功率MIMO系統(tǒng)模型接收端的噪聲：各分量為獨(dú)立的零均值高斯變量，具有獨(dú)立的和相等方差的實(shí)部和虛部。噪聲協(xié)方差矩陣若n的分量間不相關(guān)，每根接收天線具有相等的噪聲功率?2。每根接收天線輸出端的信號功率為PT，故接收功率信噪比為MIMO系統(tǒng)模型根據(jù)奇異值分解（SVD-SingularValueDecomposition）定理，任意矩

4、陣H可表示為U和V分別為MR×MR和MT×MT正交矩陣，D為MR×MT非負(fù)對角陣，對角線元素為矩陣特征值的非負(fù)平方根。?滿足z為關(guān)于特征值?的MR×1特征向量。U的列是HHH的特征向量，V的列是HHH的特征向量。MIMO的系統(tǒng)容量分析令則MIMO的系統(tǒng)容量分析矩陣HHH的非零特征值數(shù)目m等于矩陣H的秩r。對于MR×MT矩陣H，其秩最大為即H的非零奇異值最多有m個。用表示H的奇異值，則從第1個到第r個接收分量，子信道增益為，而從第r+1接收分量起，子信道的增益為0，相應(yīng)的接收分量不再依賴發(fā)送分量。MIMO的系統(tǒng)容量分析等效的MIMO信道可看成由m個相分離的并行子信道組成，每

5、個子信道指配一個H矩陣的奇異值（或HHH的特征值），該奇異值相當(dāng)于該子信道的幅度增益，而子信道的功率增益相當(dāng)于HHH的特征值?i。MIMO的系統(tǒng)容量分析即y’、x’和n’的協(xié)方差矩陣與變換前y，x，n的協(xié)方差陣具有相同的跡（對角線元素之和）或功率。MIMO的系統(tǒng)容量分析各子信道是分開的，因而它們的容量相加。假定在等效MIMO信道模型中每根天線發(fā)送的功率為，總的信道容量可利用Shannon公式求出：式中F為每個子信道的帶寬，Pi為第i個子信道的接收信號功率：MIMO的系統(tǒng)容量根據(jù)特征值與特征矢量的關(guān)系，有（設(shè)）：是方程的m個特征根?？傻茫阂虼?，有：MIMO的系統(tǒng)容量特別的，

6、當(dāng)時，有：其中，MIMO的系統(tǒng)容量分析E.Teletar,1995,”CapacityofMulti-AntennaGaussianchannels”G.J.Foschini,1998,”O(jiān)nLimitsofWirelessCommunicationinaFadingEnvironmentWhenUsingMultipleAntennas”MIMO的系統(tǒng)容量功率注水算法在系統(tǒng)呈閉環(huán)情況下，發(fā)射端已知信道狀態(tài)信息CSI，可以通過注水（water-filling）算法，將較大的發(fā)送功率分配給狀態(tài)較好的信道，來提高信道容量。注水算法的目的是在功率約束的前提之下實(shí)現(xiàn)信道容量的最大

7、化。其功率約束可以表示為:歸一化信道容量為：功率注水算法采用拉格朗日乘子法，構(gòu)造如下函數(shù)：令：得到：，其中功率不可能為負(fù)值，因此：功率注水算法MIMO系統(tǒng)下容量注水算法示意圖功率注水算法最優(yōu)功率分配時的MIMO信道容量：其中L為通過功率限制條件得到的拉格朗日乘子。令發(fā)送天線數(shù)和接收天線數(shù)相等，發(fā)送機(jī)與相應(yīng)的接收機(jī)之間通過正交、并行的子信道相連接，因而各個子信道之間無干擾。正交傳送的MIMO信道當(dāng)MR=MT=M=8，SNR=20dB，歸一化容量各子信道不相關(guān)聯(lián)地給出了M倍增益。MIMO信道容量MIMO系統(tǒng)的信道容量主要由H的奇異