MIMO的注水演算法

① MIMO多天線技術

學號：20011210119   

姓名：范亞奇

【嵌牛導讀】

        不斷提高空中介面的吞吐率是無線制式的發展目標。MIMO多天線技術是LTE大幅提升吞吐率的物理層關鍵技術。MIMO技術和OFDM技術一起並稱為LTE的兩大最重要物理層技術。

【嵌牛鼻子】MIMO多天線技術

【嵌牛正文】

1.MIMO基本原理

      最早的多天線技術是一種接收分集技術。多條接收通道同時處於深度衰落的可能性比單天線通道處於深度衰落的可能性小很多。接收分集可以提高無線傳輸的可靠性，基站側布置多個接收天線實現上行接收分集較為容易。但終端側布置多個天線會提高手機復雜度和成本，實現較困難，那能不能在基站側實現發射分集（多天線發射相同的數據流）來提高下行傳輸可靠性呢？人們嘗試這樣做，但發現多天線發送相同的數據流，他們是相互干擾的，甚至會相互抵消，起不到分集的作用。想要實現發送分集，必須解決發送天線之間無線鏈路的正交性問題。多天線正交性的問題最終被攻克，於是MIMO技術成熟。

1.1 數學模型

      由於數據看不見摸不著，把數據看作從倉庫A搬運到倉庫B的貨物，如圖所示。

        裝貨點A1有1/3的貨物到了卸貨點B1，2/3到卸貨點B2；裝貨點A2有3/4貨物到了卸貨點B1，有1/4到卸貨點B2。在B1有1個貨物的損失，在B2有兩個貨物的損失。於是裝貨點的貨物數量x1、x2和卸貨點數量y1、y2數量關系如下：

可以用矩陣關系表示上述數量關系：

借鑒類似思路，可以給MIMO系統建立數學模型。在發射端和接收端分別設置多個天線，如圖

      上面s1、s2和r1、r2的關系可以用如下矩陣表示：

（其實只要記H矩陣是接收天線數×發射天線）

        MIMO系統是在發射端和接收端同時採用多天線的技術，廣義上SISO，SIMO，MISO也是MIMO的特例。

1.2 極限容量

        香農給出了單發射天線、單接收天線的SISO無線信道的極限容量公式：

        B為信道帶寬，S/N為接收端信噪比。由香農公式，提高SNR或帶寬可以增加無線信道容量。但發射功率P和帶寬都是有一定限度的。在一定帶寬條件下，SISO無論採用什麼樣的編碼和調制方式，系統容量都不可能超過香農公式極限。目前廣泛使用的Turbo碼、LDPC碼，使信道容量逼近了信道容量極限。

      但多天線的情況下，信道容量隨著接收天線數量Mr的增加而增加，兩者為對數關系；信道容量也隨著發射天線數量Mt的增加而增加，兩者也為對數關系；

      也就是說發射分集和接受分集可以改善接收端的信噪比，從而提高信道容量和頻譜效率，但對信道容量的提升也是有限的，僅為對數關系。

        MIMO系統容量會隨著發射端或接收端天線數中較小的一方min（Mr，Mt）的增加而線性增加（不是對數增加）。

        例如，從MIMO系統極限容量公式可以看書，2×2天線配置的MIMO系統和2×4天線配置的MIMO系統的極限容量是接近的。因為二者的最小天線數目一樣，都是2。但發射天線數目翻倍也不是一點作用都沒，發射天線數目翻倍起到了分集作用，改善了接收端信噪比。兩者雖然極限容量一樣，但2×4的天線配置方式，下行的平均容量會提高。

1.3 多天線技術增益

        陣列增益：在單天線發射功率不變的情況下，增加天線個數，可使接收端通過多路信號的相干合並，獲得平均信噪比（SNR）的增加。陣列增益是和天線個數（M）的對數lg（M）強相關的，陣列增益可以改善系統覆蓋。

        功率增益：覆蓋范圍不變時增加天線數目可以降低天線口發射功率，繼而可以降低對設備功放線性范圍的要求。若單天線發射功率不變，採用多天線發射相當於總的發射功率增加，從而增加覆蓋范圍。

        分集增益：同一路信號經過不同路徑到達接收端，可以有效對抗多徑衰落，減少接收端SNR的波動。獨立衰落的分支數目越大，接收端信噪比波動越小，分集增益越大。分集增益可以改善系統覆蓋，增加鏈路可靠性。

        空間復用增益：提高極限容量和改善峰值速率。在天線間互不相關前提下，MIMO信道的容量可隨著接收天線和發射天線二者的最小數目線性增長。這個容量的增長就是空間復用增益。

        干擾抑制增益：多天線收發系統中，空間存在的干擾有一定的統計規律。利用信道估計技術，選取不同的天線映射演算法，選擇合適的干擾抑制演算法，可降低干擾。

2.MIMO的工作模式

        MIMO系統就是多個信號流在空中的並行傳輸。在發射端輸入的數據流變成幾路並行的符號流，分別從Mt個天線同時發射出去；接收端從Mr個接收天線將信號接收下來，恢復原始信號。

        多個信號流可以是不同的數據流，也可以是同一個數據流的不同版本。不同的數據流就是不同的信息同時發射，意味著信息傳送效率的提升，提高了無線通信的效率。同一個數據流的不同版本，就是同樣的信息，不同的表達方式，並行發射出去，確保接受端收到信息的准確，提高信息傳送的可靠性。為提高信息傳送效率的工作模式，就是MIMO的復用模式；為提高信息傳送可靠性的工作模式，就是MIMO的分集模式。

2.1 空分復用模式

        空分復用（Space Multiplexing，SM）思想是把1個高速的數據流分割為幾個速率較低的數據流，分別在不同的天線進行編碼、調制，然後發送。天線之間相互獨立，一個天線相當於一個獨立的信道，接收機利用空間均衡器分離接收信號，然後解調、解碼，將幾個數據流合並，恢復出原始信號，如圖所示。

        一路數據變為多路數據的方法是貝爾實驗室提出的時空轉移大法：空時編碼（Space Time Coding，STC），即BLAST（Bell Labs Layered Space-Time）技術。將數據看作待轉運的貨物，為了快速地轉運（復用）出去，可以把它安排在不同的地點（空間），也可以變換交貨的時間。「不同的天線」就是空時編碼中「空間」的概念；「不同的OFDM周期」就是空時編碼中「時間」的概念。空時編碼的最小單位是TB塊（Transport block，傳輸塊），TB塊是一個子幀內含有的編碼前比特數，由很多個RB組成。一個TTI是1ms。

        空分復用（SM）常用的空時編碼技術有兩種：預編碼（Precoding）、PARC（Per Antenna Rate Control，每天線速率控制）。預編碼技術把原始數據流兩個符號分為一組進行變換，如某一組為」s1、s2「，轉換成並行數據流」z1、z2「，然後分別由不同的天線發出去，如圖所示。二者的關系式為：

      其中V矩陣就是預編碼矩陣，他就是負責把數據流轉換到天線埠的數學變換公式。PARC是不進行符號變換的，直接根據每個天線的信道條件調節其信息發送速率。天線信道好的，速率快一些，反之速率慢一些。速率本身也是一種時空編碼，只不過一路天線速度快些，另一路慢些。在天線口，PARC的空時編碼所做的工作就是直接把速率調節好的兩列數據搬在天線口發射，可不做變換。

2.2 空間分集模式

        空間分集（Space Diversity，SD）的思想是製作同一個數據流的不同版本，分別在不同的天線進行編碼、調制，然後發送，如圖所示，這個數據流可以是原來要發送的數據流，也可以是原始數據流經過一定的數學變換後形成的新數據流。同一個東西，不同的面貌。接收機利用空間均衡器分離接收信號，然後解調、解碼，將同一數據流的不同接收信號合並，恢復出原始信號。空間分集可以起到可靠傳輸數據的作用。

不管是復用技術還是分集技術，都涉及把一路數據變成多路數據的技術，即時空編碼技術。空間分集常用的技術有STBC（空時塊編碼）、SFBC(空頻塊編碼）、TSTD/FSTD（時間/頻率轉換傳送分集）、CDD（循環延時分集）。

      STBC主要思想是在空間和時間兩個維度上安排數據流的不同版本，可以有時間和空間分集的的效果，從而降低信道誤碼率提高可靠性。如圖所示，天線1上兩個符號s1，s2分別放在1個子幀兩個時隙的第一個OFDM符號周期上；天線2上這兩個符號調換一下時隙位置，把他們的另一個版本-s2*、s1*分別放在這個子幀的兩個時隙上。

        SFBC的主要思想是在空間和頻率兩個維度上安排數據流的不同版本，可以有空間分集和頻率分集的效果。在天線1上，兩個符號s1、s2分別安排在兩個相鄰的子載波上，在天線2上，這兩個符號調換一下子載波的位置，把它們的另一個版本-s2*、s1*分別放在這兩個子載波上。

        TSTD也是在空間和時間兩個維度上安排數據流的不同部分，有空間和時間分集的效果。在天線1和天線2的時隙位置上，交叉安排符號流s1、s2，符號排隊等待發射，在第一個符號周期，這個符號放在天線1上發射，下一符號周期則放在天線2上發射，以此類推。

TSTD/FSTD技術的矩陣表示形式如圖所示，

2.3 多天線工作模式對比

        多天線技術主要指以下四種：空間復用、空間分集、空分多址（SDMA）、波束賦型。            空間分集利用天線間的不相關性來實現，這個不相關要求天線間距在10個電磁波波長以上。目的是提高鏈路質量而不是鏈路容量。

        空間復用也是利用天線間不相關性來實現的。一般需要多個發射和接受天線，是一種MIMO方式，也可以是智能天線方式。在復用時，並行發射和接受多個數據流，目的是調高鏈路容量（峰值速率），而不是鏈路質量。

        空分多址是利用相同的時隙、相同的子載波，但不同的天線傳送多個終端用戶的數據。不同用戶的數據如果要彼此相互區別就要求天線間的不相關性。空分多址的主要目的是通過空間上區別用戶，在鏈路上容納更多的用戶，提高容量。

        波束賦型利用電磁波之間的相干特性，將電磁波的能量（波束）集中於某個特定的方向上。不同於以上三種，波束賦型利用的是天線陣元之間的相關性。因此波束賦型要求天線之間的距離小一些，通常在波長的1/2左右。主要目的是增強覆蓋和抑制干擾。使用波束賦型的多天線技術，就是傳統的智能天線（Smart Antenna)技術，也叫AAS（Adaptive Antenna System，自適應天線系統）。TD-SCDMA系統的關鍵技術就是智能天線。

        MIMO主要利用天線之間的不相關性，而智能天線主要利用天線間的相關性。MIMO可有效克服多徑效應；而智能天線克服多徑能力有限但抗干擾效果較好。

2.4 MIMO工作模式小結

MIMO系統可根據不同的系統條件、變化的無線環境採用不同的工作模式，協議中定義了以下七種MIMO的工作模式：

1.單天線工作模式：傳統個無線制式的天線工作模式。

2.開環發射分集：利用復數共軛的數學方法，在多個天線上形成了彼此正交的空間信道，發送相同的數據流，提高傳輸可靠性。

3.開環空間復用：在不同的天線上人為製造「多徑效應」，一個天線正常發射。其他天線引入相位偏移環節。多個天線的發射關系構成復矩陣，並行地發射不同的數據流。這個復矩陣在發射端隨機選擇，不依賴接收端的反饋結果，就是開環空間復用。

4.閉環空間復用：發射端在並行發射多個數據流的時候，根據反饋的信道估計結果，選擇製造「多徑效應」的復矩陣，就是閉環空間復用

5.MU-MIMO：並行傳輸的多個數據流是由多個UE組合實現的，就是多用戶空間復用。

6.Rank=1的閉環發射分集：作為閉環空間復用的一特例，只傳輸一個數據流，也就是說空間信道的秩Rank=1。這種工作模式起到的是提高傳輸可靠性的作用，實際上是一種發射分集的方式。

7.波束賦型：多個天線協同工作，根據基站和UE的信道條件，實時計算不同的相位偏移方案，利用天線之間的相位干涉疊加原理，形成指向特定UE的波束。

3.MIMO系統的實現

把貨物運送的港口的過程分為三個步驟：

步驟一：打包方式的選擇（類似傳輸塊TB的形成）；

步驟二：根據貨物的種類和去往的目的地進行初步的分類（類似層映射）；

步驟三：運輸公司的選擇（預編碼矩陣的選擇）。

運輸公司確定好之後，由運輸公司選擇港口，而發貨方無須關心由哪個港口發送。

不同港口對應著不同的運輸公司和運輸航道。如何選擇港口來發送貨物？有兩種方式：開環方式和閉環方式。開環就是根據自己對港口的條件判斷發貨，無須等待接收貨物方對發貨質量的確認。閉環則要等待貨物接收方對運送質量的反饋，來決定選擇什麼樣的包裝方式和運輸公司。

② 兩功率分配策略和三功率分配策略的區別

本文主要研究的是多用戶MIMO系統的功率分配策略。從單用戶系統開始，分析了其「注水演算法」，把其與「均勻分配」策略作了比較；進而研究了其推廣演算法——上行多用戶「迭代注水」演算法，針對其缺少用戶間功率分配導致用戶較多時出現的頻譜效率降低的現象提出了一種改進的演算法，加入了用戶間的功率分配內容；進而結合時分策略對改進的演算法進行了進一步的簡化；並通過建立與下行多用戶系統對偶的上行多用戶系統的方式，把改進的上行多用戶「迭代注水」演算法做了相應的改動，運用到下行，來取得下行多用戶系統的可達速率，對下行廣播信道的容量區域這一開放性問題作了初...

③ MIMO的原理

多輸入多輸出技術（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現多發多收，在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，可以成倍的提高系統信道容量，顯示出明顯的優勢、被視為下一代移動通信的核心技術。
圖1 MIMO系統的一個原理框圖

圖1是MIMO系統的一個原理框圖。發射端通過空時映射將要發送的數據信號映射到多根天線上發送出去，接收端將各根天線接收到的信號進行空時解碼從而恢復出發射端發送的數據信號。根據空時映射方法的不同，MIMO技術大致可以分為兩類：空間分集和空間復用。空間分集是指利用多根發送天線將具有相同信息的信號通過不同的路徑發送出去，同時在接收機端獲得同一個數據符號的多個獨立衰落的信號，從而獲得分集提高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用一根發射天線n 根接收天線，發送信號通過n 個不同的路徑。如果各個天線之間的衰落是獨立的，可以獲得最大的分集增益為n 。對於發射分集技術來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統的可靠性。在一個具有m根發射天線n 根接收天線的系統中，如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。目前在MIMO系統中常用的空間分集技術主要有空時分組碼（Space Time Block Code，STBC）和波束成形技術。STBC是基於發送分集的一種重要編碼形式，其中最基本的是針對二天線設計的Alamouti方案，具體編碼過程如圖2所示。
圖2Alamouti 編碼過程示意

可以發現STBC方法，其最重要的地方就是使得多根天線上面要傳輸的信號矢量相互正交，如圖2-19中x 1和x 2的內積為0，這時接收端就可以利用發送端信號矢量的正交性恢復出發送的數據信號。使用STBC技術，能夠達到滿分集的效果，即在具有M根發射天線N 根接收天線的系統中採用STBC技術時最大分集增益為MN。波束成形技術是通過不同的發射天線來發送相同的數據，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效提高天線增益。為了能夠最大化指向用戶的波束的信號強度，通常波束成形技術需要計算各個發射天線上發送數據的相位和功率，也稱之威波束成形矢量。常見的波束成形矢量計算方法有最大特徵值向量、MUSIC演算法等。M根發射天線採用波束成形技術可以獲得的最大發送分集增益為M。空間復用技術是將要傳送的數據可以分成幾個數據流，然後在不同的天線上進行傳輸，從而提高系統的傳輸速率。常用的空間復用方法是貝爾實驗室提出的垂直分層空時碼，即V-BLAST技術，如圖3所示。
圖3V-BLAST 系統發送示意

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系統是一項運用於802.11n的核心技術。
802.11n是IEEE繼802.11bag後全新的無線區域網技術，速度可達600Mbps。同時，專有MIMO技術可改進已有802.11a/b/g網路的性能。該技術最早是由Marconi於1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據收發兩端天線數量，相對於普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統。

④ 誰知道mimo的資料

MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系統是一項考慮用於802.11n的技術。802.11n是下一代802.11標准，可將吞吐量提高到100Mbps。同時，專有MIMO技術可改進已有802.11a/b/g網路的性能。該技術最早是由Marconi於1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據收發兩端天線數量，相對於普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統。 [編輯本段]1、MIMO概述MIMO 表示多輸入多輸出。讀/maimo/或/mimo/，通常美國人前者，英國人讀後者，國際上研究這一領域的專家較多的都讀讀/maimo/。通常用於 IEEE 802.11n，但也可以用於其他 802.11 技術。MIMO 有時被稱作空間多樣，因為它使用多空間通道傳送和接收數據。只有站點（移動設備）或接入點（AP）支持 MIMO 時才能部署 MIMO。
MIMO 的優點是能夠增加無線范圍並提高性能。連接到老的 802.11g 接入點的 802.11n 站點能夠以更高的速度連接到更遠的距離。例如，如果使用老站點，從 25 英尺的距離連接到接入點的速度是 1Mbps；而使用 802.11n MIMO 時站點的速度為 2Mbps。增加到 2Mbps 的范圍，允許用戶在更遠的距離保持連接。
無線電發送的信號被反射時，會產生多份信號。每份信號都是一個空間流。使用單輸入單輸出（SISO）的當前或老系統一次只能發送或接收一個空間流。MIMO 允許多個天線同時發送和接收多個空間流。它允許天線同時傳送和接收。
老接入點到老客戶端 - 只發送和接收一個空間流

MIMO 接入點到 MIMO 客戶端 - 同時發送和接收多個空間流

可以看出，此時的信道容量隨著天線數量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。
利用MIMO技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復用增益，後者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實現空間復用增益的演算法主要有貝爾實驗室的BLAST演算法、ZF演算法、MMSE演算法、ML演算法。ML演算法具有很好的解碼性能，但是復雜度比較大，對於實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF演算法簡單容易實現，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復雜度最優的就是BLAST演算法。該演算法實際上是使用ZF演算法加上干擾刪除技術得出的。目前MIMO技術領域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。
通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對於MIMO系統來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統在發射端和接收端均採用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。傳輸信息流s(k)經過空時編碼形成N個信息子流ci(k)，I=1，……，N。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道後由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開並解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。
特別是，這N個子流同時發送到信道，各發射信號佔用同一頻帶，因而並未增加帶寬。若各發射接收天線間的通道響應獨立，則多入多出系統可以創造多個並行空間信道。通過這些並行空間信道獨立地傳輸信息，數據率必然可以提高。
MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，從而實現高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近於最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。
系統容量是表徵通信系統的最重要標志之一，表示了通信系統最大傳輸率。對於發射天線數為N，接收天線數為M的多入多出（MIMO）系統，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，並設N、M很大，則信道容量C近似為：C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)
其中B為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，多入多出系統的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端採用多天線或天線陣列的普通智能天線系統，其容量僅隨天線數的對數增加而增加。相對而言，多入多出對於提高無線通信系統的容量具有極大的潛力。 [編輯本段]2、MIMO發展歷史1990年代，全世界無線通信領域均針對多天線系統進行研究，希望實作出能指向接收者之波束成型技術，亦即是所謂智慧型天線 —— 一種能使波束聰明地追蹤接收者（即行動電話）的技術，如同有個人持著天線到處移動，就像一道自手電筒射出的光束可追蹤一位在黑暗中移動的人一樣。智慧型天線藉由波束對其指向（亦即對目標接收者）的相長干涉（constructive interference）及同時間該波束對目標接收者指向以外其他方向之相消干涉（destructive interference）來增加信號增益，以實現上述智慧型天線的優點，並對於此發送單位上的多天線間，採用一較窄的天線間距來實作此波束。一般以發送信號之一半波長作為實體的天線間距，以滿足空間上的采樣定理且避免旁瓣輻射（grating lobes），亦即空間上的混疊。
波束成型技術的缺點乃是在都市的環境中，信號容易朝向建築物或移動的車輛等目標分散，因而模糊其波束的集中特性（即相長干涉），喪失多數的信號增益及減少干擾的特性。然而此項缺點卻隨著空間分集及空間多工的技術在 1990 年代末的發展，而突然轉變為優勢。這些方法利用多徑（multipath propagation）現象來增加資料吞吐量、傳送距離，或減少比特錯誤率。這些型態的系統在選擇實體的天線間距時，通常以大於被發送信號的波長的距離為實作，以確保 MIMO 頻道間的低關聯性及高分集階數（diversity order）。[1][2] [編輯本段]3、MIMO 技術MIMO技術大致可以分為兩類：發射/接收分集和空間復用。傳統的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號通過不同的路徑被發送出去，在接收機端可以獲得數據符號多個獨立衰落的復製品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發射天線n根接收天線，發送信號通過n個不同的路徑。如果各個天線之間的衰落是獨立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差概率可以減小到 ，單天線衰落信道的平均誤差概率為 。對於發射分集技術來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統的可靠性。在一個具有m根發射天線n根接收天線的系統中，如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。智能天線技術也是通過不同的發射天線來發送相同的數據，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效的提高天線增益，降低用戶間的干擾。廣義上來說，智能天線技術也可以算一種天線分集技術。
分集技術主要用來對抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來增加通信中的自由度(degrees of freedom)。從本質上來講，如果每對發送接收天線之間的衰落是獨立的，那麼可以產生多個並行的子信道。如果在這些並行的子信道上傳輸不同的信息流，可以提供傳輸數據速率，這被成為空間復用。需要特別指出的是在高SNR的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時對於m根發射天線n根接收天線，並且天線對之間是獨立均勻分布的瑞利衰落的。
根據子數據流與天線之間的對應關系，空間多路復用系統大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。
D-BLAST最先由貝爾實驗室的Gerard J. Foschini提出。原始數據被分為若乾子流，每個子流之間分別進行編碼，但子流之間不共享信息比特，每一個子流與一根天線相對應，但是這種對應關系周期性改變，如圖1.b所示，它的每一層在時間與空間上均呈對角線形狀，稱為D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好處是，使得所有層的數據可以通過不同的路徑發送到接收機端，提高了鏈路的可靠性。其主要缺點是，由於符號在空間與時間上呈對角線形狀，使得一部分空時單元被浪費，或者增加了傳輸數據的冗餘。如圖1.b所示，在數據發送開始時，有一部分空時單元未被填入符號(對應圖中右下角空白部分)，為了保證D-BLAST的空時結構，在發送結束肯定也有一部分空時單元被浪費。如果採用burst模式的數字通信，並且一個burst的長度大於M(發送天線數目)個發送時間間隔 ，那麼burst的長度越小，這種浪費越嚴重。它的數據檢測需要一層一層的進行，如圖1.b所示：先檢測c0、c1和c2，然後a0、a1和a2，接著b0、b1和b2……
另外一種簡化了的BLAST結構同樣最先由貝爾實驗室提出。它採用一種直接的天線與層的對應關系，即編碼後的第k個子流直接送到第k根天線，不進行數據流與天線之間對應關系的周期改變。如圖1.c所示，它的數據流在時間與空間上為連續的垂直列向量，稱為V-BLAST(Vertical-BLAST)。由於V-BLAST中數據子流與天線之間只是簡單的對應關系，因此在檢測過程中，只要知道數據來自哪根天線即可以判斷其是哪一層的數據，檢測過程簡單。
（圖1）
考慮到D-BLAST以及V-BALST模式的優缺點，一種不同於D-DBLAST與V-BLAST的空時編碼結構被提出：T-BLAST。等文獻分別提及這種結構。它的層在空間與時間上呈螺紋(Threaded)狀分布，如圖2所示。原始數據流被多路分解為若乾子流之後，每個子流被對應的天線發送出去，並且這種對應關系周期性改變，與D-BLAST系統不同的是，在發送的初始階段並不是只有一根天線進行發送，而是所有天線均進行發送，使得單從一個發送時間間隔 來看，它的空時分布很像V-BALST，只不過在不同的時間間隔中，子數據流與天線的對應關系周期性改變。更普通的T-BLAST結構是這種對應關系不是周期性改變，而是隨機改變。這樣T-BLAST不僅可以使得所有子流共享空間信道，而且沒有空時單元的浪費，並且可以使用V-BLAST檢測演算法進行檢測。
[編輯本段]4、MIMO 的研究狀況在MIMO系統理論及性能研究方面已有一批文獻，這些文獻涉及相當廣泛的內容。但是由於無線移動通信MIMO信道是一個時變、非平穩多入多出系統，尚有大量問題需要研究。比如說，各文獻大多假定信道為分段-恆定衰落信道。這對於寬頻信號的4G系統及室外快速移動系統來說是不夠的，因此必須採用復雜的模型進行研究。已有不少文獻在進行這方面的工作，即對信道為頻率選擇性衰落和移動台快速移動情況進行研究。再有，在基本文獻中，均假定接收機精確已知多徑信道參數，為此，必須發送訓練序列對接收機進行訓練。但是若移動台移動速度過快，就使得訓練時間太短，這樣快速信道估計或盲處理就成為重要的研究內容。
另外實驗系統是MIMO技術研究的重要一步。實際系統研究的一個重要問題是在移動終端實現多天線和多路接收，學者們正大力進行這方面的研究。由於移動終端設備要求體積小、重量輕、耗電小，因而還有大量工作要做。目前各大公司均在研製實驗系統。
Bell實驗室的BLAST系統[4]是最早研製的MIMO實驗系統。該系統工作頻率為1.9GHz，發射8天線，接收12天線，採用D-BLAST演算法。頻譜利用率達到了25.9bits/(Hz�6�1s)。但該系統僅對窄帶信號和室內環境進行了研究，對於在3G、4G應用尚有相當大距離。在發送端和接收端各設置多重天線，可以提供空間分集效應，克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當的多副天線提供多個空間信道，不會全部同時受到衰落。在上述具體實驗系統中，每一基台各設置2副發送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設置1副發送天線和3副接收天線，即下行通路設置2×3天線、上行通路設置1×3天線。這樣與「單輸入/單輸出天線」SISO相比，傳輸上取得了10～20dB的好處，相應地加大了系統容量。而且，基台的兩副發送天線於必要時可以用來傳輸不同的數據信號，用戶傳送的數據速率可以加倍。
朗訊科技的貝爾實驗室分層的空時（BLAST）技術是移動通信方面領先的MIMO應用技術，是其智能天線的進一步發展。BLAST技術就其原理而言，是利用每對發送和接收天線上信號特有的「空間標識」，在接收端對其進行「恢復」。利用BLAST技術，如同在原有頻段上建立了多個互不幹擾、並行的子信道，並利用先進的多用戶檢測技術，同時准確高效地傳送用戶數據，其結果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLAST技術證明，在天線發送和接收端同時採用多天線陣，更能夠充分利用多徑傳播，達到「變廢為寶」的效果，提高系統容量。理論研究業已證明，採用BLAST技術，系統頻譜效率可以隨天線個數成線性增長，也就是說，只要允許增加天線個數，系統容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術有著非常大的潛力。鑒於對於無線通信理論的突出貢獻，BLAST技術獲得了2002年度美國ThomasEdison（愛迪生）發明獎。
2002年10月，世界上第一顆BLAST晶元在朗訊公司貝爾實驗室問世，貝爾實驗室研究小組設計小組宣布推出了業內第一款結合了貝爾實驗室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技術的晶元，這一晶元支持最高4×4的天線布局，可處理的最高數據速率達到19.2Mbps。該技術用於移動通信，BLAST晶元使終端能夠在3G移動網路中接收每秒19.2兆比特的數據，現在，朗訊科技已經開始將此BLAST晶元應用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同時還計劃授權終端製造商使用該BLAST晶元，以提高無線3G數據終端支持高速數據接入的能力。
2003年8月，AirgoNetworks推出了AGN100Wi-Fi晶元組，並稱其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技術的批量上市產品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術，將現在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同時保持與所有常用Wi-Fi標準的兼容性。該產品集成兩片晶元，包括一片Baseband/MAC晶元(AGN100BB)和一片RF晶元(AGN100RF)，採用一種可伸縮結構，使製造商可以只使用一片RF晶元實現單天線系統，或增加其他RF晶元提升性能。該晶元支持所有的802.11 a、b和g模式，包含IEEE 802.11工作組推出最新標准(包括TGi安全和TGe質量的服務功能)。
Airgo的晶元組和目前的Wi-Fi標准兼容，支持802.11a, "b,"和"g"模式，使用三個5-GHz和三個2.4-GHz天線，使用Airgo晶元組的無線設備可以和以前的802.11設備通訊，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設備通訊的同時還可以以108Mbps的速度和Airgo的設備通訊。 [編輯本段]5、MIMO 的 應用為了提高系統容量，下一代的無線寬頻移動通信系統將會採用MIMO技術，即在基站端放置多個天線，在移動台也放置多個天線，基站和移動台之間形成MIMO通信鏈路。應用MIMO技術的無線寬頻移動通信系統從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類：一類是多個基站天線集中排列形成天線陣列，放置於覆蓋小區，這一類可以稱為集中式MIMO；另一類是基站的多個天線分散放置在覆蓋小區，可以稱為分布式MIMO。
MIMO技術可以比較簡單地直接應用於傳統蜂窩移動通信系統，將基站的單天線換為多個天線構成的天線陣列。基站通過天線陣列與小區內的具有多個天線的移動台進行MIMO通信。從系統結構的角度看，這樣的MIMO系統與傳統的單入單出(SISO)蜂窩通信系統相比並沒有根本的區別。
傳統的分布式天線系統可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗，能夠在小區內形成良好的系統覆蓋，解決小區內的通信死角，提高通信服務質量。最近在MIMO技術的研究中發現，傳統的分布式天線系統與MIMO技術相結合可以提高系統容量，這種新的分布式MIMO系統結構——分布式無線通信系統(DWCS)[8]成為MIMO技術的重要研究熱點。
在採用分布式MIMO的DWCS系統中，分散在小區內的多個天線通過光纖和基站處理器相連接。具有多天線的移動台和分散在附近的基站天線進行通信，與基站建立了MIMO通信鏈路。這樣的系統結構不僅具備了傳統的分布式天線系統的優勢，減少了路徑損耗，克服了陰影效應，同時還通過MIMO技術顯著提高了信道容量。與集中式MIMO相比，DWCS的基站天線之間距離較遠，不同天線與移動台之間形成的信道衰落可以看作完全不相關，信道容量更大。總體上說，分布式MIMO系統的信道容量更大，系統功耗更小，系統覆蓋性能更好，系統具有更好的擴展性和靈活性。
分布式MIMO的DWCS系統也帶來了一些新問題。移動台和小區內鄰近的天線建立的MIMO鏈路，由於基站不同天線的位置不同，它們距離移動台的距離不同，使得基站端的多個天線的信號到達移動台的延時也不同，因此帶來新的研究問題。目前在這方面研究較多的是進行容量分析。除此之外的研究內容還包括：具體的同步技術、信道估計、天線選擇、發射方案、信號檢測技術等，這些問題有待深入研究。
MIMO技術已經成為無線通信領域的關鍵技術之一，通過近幾年的持續發展，MIMO技術將越來越多地應用於各種無線通信系統。在無線寬頻移動通信系統方面，第3代移動通信合作計劃(3GPP)已經在標准中加入了MIMO技術相關的內容，B3G和4G的系統中也將應用MIMO技術。在無線寬頻接入系統中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標准也採用了MIMO技術。在其他無線通信系統研究中，如超寬頻(UWB)系統、感知無線電系統(CR)，都在考慮應用MIMO技術。
隨著使用天線數目的增加，MIMO技術實現的復雜度大幅度增高，從而限制了天線的使用數目，不能充分發揮MIMO技術的優勢。目前，如何在保證一定的系統性能的基礎上降低MIMO技術的演算法復雜度和實現復雜度，成為業界面對的巨大挑戰。

⑤ MIMO技術原理及應用的圖書目錄

第1章 緒論
1.1 MIMO系統的提出
1.2 MIMO系統的特徵及研究進展
1.2.1 MIMO系統的主要特徵
1.2.2 已取得的進展
1.3 存在的問題
參考文獻
第2章 MIMO信道建模
2.1 無線信道建模的必要性
2.1.1 大尺度衰落及其典型模型
2.1.2 小尺度衰落及其典型模型
2.1.3 信道的一階和二階統計量
2.2 MIMO信道建模的研究現狀
2.2.1 MIMO信道建模的必要性
2.2.2 從SISO信道到MIMO信道的演變
2.2.3 MIMO信道建模方法的分類
2.2.4 MIMO信道典型模型
2.3 MIMO信道建模兩個實例研究
2.3.1 MIMO無線信道參數
2.3.2 MIMO信道的空間相關性
2.3.3 基於Kronecker的MIMO信道模型
2.3.4 單環及改進型單環MIMO信道模型
參考文獻
第3章 衰落信道的容量
3.1 高斯信道下的信道容量
3.2 平坦衰落信道的容量
3.2.1 信道與系統模型
3.2.2 接收機知道信道狀態信息，發射機知道信道分布
3.2.3 發射機與接收機均已知信道狀態信息
3.2.4 分集接收機的容量
3.2.5 相關Nakagami信道分集接收機的容量
3.3 頻率選擇性衰落信道的容量
3.3.1 時不變頻率選擇信道
3.3.2 時變頻率選擇信道
參考文獻
第4章 MIMO信道的容量
4.1 獨立衰落下單用戶MIMO系統的容量
4.2 信道系數固定時的MIMO系統容量
4.2.1 循環對稱復高斯隨機向量
4.2.2 通過互信息推導MIMO系統的容量
4.2.3 通過信道矩陣的奇異值推導MIMO系統的容量
4.3 信道系數隨機變化時的MIMO系統容量
4.3.1 容量的定義
4.3.2 MIMO系統的各態歷經容量
4.4 MIMO系統的容量實例及模擬分析
4.4.1 單輸入單輸出(SISO)系統的容量
4.4.2 SIMO系統的容量
4.4.3 MISO系統的容量
4.4.4 兩種典型的MIMO系統容量
4.5 相關衰落下單用戶M1MO系統容量
4.5.1 接收機能准確估計信道，發射機不能估計信道
4.5.2 接收機和發射機均不能估計信道
4.5.3 頻率選擇性衰落相關信道下MIMO=OFDM系統容量
4.6 多用戶：MIMO系統容量分析
4.6.1 MIMOMAC系統
4.6.2 MIMOBC系統
4.6.3 MIMO-MAC和MIMOBC的對偶性
4.6.4 迭代注水演算法
4.7 基於訓練序列估計的MIMO系統容量
4.7.1 基於訓練序列信道估計的MIMO系統模型
4.7.2 基於訓練序列的信道估計值的推導證明
4.7.3 等效的系統模型
4.7.4 基於訓練序列估計的信道容量
參考文獻
第5章 分集技術
5.1 分集類型
5.2 分集增益與編碼增益
5.3 接收分集系統模型
5.4.發射分集
5.4.1 發射機不知信道狀態MISO
5.4.2 發射機已知信道狀態：MISO
5.4.3 發射機已知信道狀態：MIMO
5.5 矩分析方法在分集技術中的運用
參考文獻
第6章 空時編碼技術
6.1 空時編碼技術基礎
6.1.1 空時編碼模型
6.1.2 空時編碼的性能分析
6.2 空時編碼設計准則
6.2.1 慢衰落瑞利信道的編碼設計准則
6.2.2 快衰落瑞利信道的編碼設計准則
6.3 空時編碼的性能指標
6.4 空時編碼的成對差錯概率的准確估算
6.5 空時格形碼性能分析
6.5.1 空時格形碼的編碼方案
6.5.2 空時格形碼的解碼方案
6.5.3 空時格形碼的性能分析
6.6 基於正交設計的空時分組碼
6.6.1 Alamouti發射分集方案
6.6.2 空時分組編碼的正交設計
6.6.3 准正交空時編碼的基本原理和設計准則
6.7 基於星座旋轉的滿分集的准正交空時編碼
6.7.1 滿分集的准正交空時編碼設計
6.7.2 滿分集的准正交空時編碼的性能指標
6.8 空時編碼器
6.8.1 空時信號的構建
6.8.2 空時碼的性能
6.9 差分空時碼
6.9.1 單天線系統中的差分空時碼
6.9.2 MIMO系統中的差分空時碼
參考文獻
第7章 MIMO系統檢測演算法
7.1 單小區情況單用戶MIMO系統模型
7.2 最大似然檢測
7.3 線性檢測演算法
7.3.1 基於迫零准則
7.3.2 基於：MMSE准則
7.3.3 串列干擾抵消演算法
7.4 非線性檢測演算法
7.4.1 QR分解演算法
7.4.2 MMSE意義上的SQRD
7.5 結合格縮減技術的檢測
7.5.1 基本原理
7.5.2 格縮減技術
7.5.3 格縮減輔助的檢測演算法
7.5.4 格縮減輔助的線性檢測
7.5.5 格縮減輔助的BLAST非線性檢測
7.6 球形解碼演算法(SDA)
7.6.1 FP演算法
7.6.2 VB演算法
7.6.3 SE-VB演算法
7.6.4 自動球形解碼演算法
7.6.5 各種改進版本的k-bestSDA
7.7 Q1w演算法
7.8 半定鬆弛演算法
7.8.1 關於鬆弛的基本概念
7.8.2 半定鬆弛最大似然檢測
7.9 分枝定界演算法
7.10 堆棧演算法
7.11 智能檢測演算法
7.11.1 禁忌搜索檢測
7.11.2 粒子群優化
7.12 蒙特卡羅統計等演算法
參考文獻
第8章 MIMO中繼信道
8.1 協同通信
8.1.1 協同MIMO技術
8.1.2 協同中繼傳輸
8.1.3 用戶協同傳輸
8.1.4 協同通信技術特徵
8.2 加性高斯信道協同無線信道容量
8.2.1 三節點中繼信道模型
8.2.2 半雙工協同中繼方法
8.2.3 半雙工解碼前向中繼
8.2.4 半雙工放大前向中繼
8.2.5 半雙工選擇性中繼
8.2.6 半雙工增量中繼
8.3 多節點高斯協同中繼信道
8.4 衰落信道.MIMO協同中繼系統容量
8.4.1 傳統MIMO信道容量
8.4.2 MIMO協同中繼系統容量
8.5 協同中繼系統的功率分配
8.5.1 中繼鏈路系統模型
8.5.2 中斷概率相等功率分配策略
8.5.3 DF中繼鏈路功率分配策略
8.5.4 AF中繼鏈路功率分配策略
8.5.5 模擬分析
8.5.6 MIMO協同中繼系統的功率分配
8.5.7 模擬分析
8.6 協同功率分配
8.6.1 三節點兩跳中繼網路
8.6.2 多節點兩跳中繼網路
參考文獻
第9章 MIMO.OFDM系統
9.1 OFDM系統基本概念
9.2 OFDM的系統結構框圖
9.2.1 OFDM主要功能模塊
9.2.2 串並變換
9.2.3 子載波調制
9.2.4 DFT的實現
9.2.5 保護間隔和循環前綴
9.2.6 OFDM系統的缺點
9.3 基於IEEE802.16的WiMAX系統
9.3.1 IEEE802.16無線接入標准
9.3.2 WiMAX論壇
9.3.3 物理層關鍵技術
9.3.4 IEEE802.16物理層簡單介紹
9.3.5 IEEE802.16e的網路結構
9.4 IEEE802.11無線區域網標准
9.5 LTE系統簡介
參考文獻
第10章 MIMO天線設計
10.1 概述
10.2 MIMO多天線與傳統天線設計的比較
10.3 MIMO天線設計基礎
10.3.1 MIMO天線單元設計要求
10.3.2 設計思想
10.4 天線設計准則
10.5 MIMO移動台天線設計
10.6 MIMO基站天線設計案例
10.7 多模式天線在MIMO系統中的應用
10.7.1 同軸波導饋電的雙錐天線
10.7.2 自補償阿基米德四臂
螺旋天線
參考文獻

⑥ MIMO天線基礎

姓名：杜旺旺；學號：20021210938；學院：電子工程學院

原鏈接：https://blog.csdn.net/weixin_40935509/article/details/82381211

【嵌牛導讀】mimo天線表示多輸入多輸出。通常用於 ieee 802.11n，但也可以用於其他802.11技術。mimo技術大致可以分為兩類：發射/接收分集和空間復用。mimo天線有時被稱作空間多樣，因為它使用多空間通道傳送和接收數據，利用mimo技術可以提高信道的容量。

【嵌牛鼻子】MIMO天線基本概念

【嵌牛正文】

不斷提高空中介面的吞吐率是無線制式的發展目標。MIMO多天線技術是LTE大幅提升吞吐率的物理層關鍵技術。MIMO技術和OFDM技術一起並稱為LTE的兩大最重要物理層技術。

1.MIMO基本原理

最早的多天線技術是一種接收分集技術。多條接收通道同時處於深度衰落的可能性比單天線通道處於深度衰落的可能性小很多。接收分集可以提高無線傳輸的可靠性，基站側布置多個接收天線實現上行接收分集較為容易。但終端側布置多個天線會提高手機復雜度和成本，實現較困難，那能不能在基站側實現發射分集（多天線發射相同的數據流）來提高下行傳輸可靠性呢？人們嘗試這樣做，但發現多天線發送相同的數據流，他們是相互干擾的，甚至會相互抵消，起不到分集的作用。想要實現發送分集，必須解決發送天線之間無線鏈路的正交性問題。多天線正交性的問題最終被攻克，於是MIMO技術成熟。

1.1 數學模型

由於數據看不見摸不著，把數據看作從倉庫A搬運到倉庫B的貨物，如圖所示。

裝貨點A1有1/3的貨物到了卸貨點B1，2/3到卸貨點B2；裝貨點A2有3/4貨物到了卸貨點B1，有1/4到卸貨點B2。在B1有1個貨物的損失，在B2有兩個貨物的損失。於是裝貨點的貨物數量x1、x2和卸貨點數量y1、y2數量關系如下：

可以用矩陣關系表示上述數量關系：

借鑒類似思路，可以給MIMO系統建立數學模型。在發射端和接收端分別設置多個天線，如圖

上面s1、s2和r1、r2的關系可以用如下矩陣表示：

（其實只要記H矩陣是接收天線數×發射天線數就行了，也不用死記硬背）。

MIMO系統是在發射端和接收端同時採用多天線的技術，廣義上SISO，SIMO，MISO也是MIMO的特例。

1.2 極限容量

香農給出了單發射天線、單接收天線的SISO無線信道的極限容量公式：

B為信道帶寬，S/N為接收端信噪比。由香農公式，提高SNR或帶寬可以增加無線信道容量。但發射功率P和帶寬都是有一定限度的。在一定帶寬條件下，SISO無論採用什麼樣的編碼和調制方式，系統容量都不可能超過香農公式極限。目前廣泛使用的Turbo碼、LDPC碼，使信道容量逼近了信道容量極限。

但多天線的情況下，信道容量隨著接收天線數量Mr的增加而增加，兩者為對數關系；信道容量也隨著發射天線數量Mt的增加而增加，兩者也為對數關系；

也就是說發射分集和接受分集可以改善接收端的信噪比，從而提高信道容量和頻譜效率，但對信道容量的提升也是有限的，僅為對數關系。

MIMO系統容量會隨著發射端或接收端天線數中較小的一方min（Mr，Mt）的增加而線性增加（不是對數增加）。

例如，從MIMO系統極限容量公式可以看書，2×2天線配置的MIMO系統和2×4天線配置的MIMO系統的極限容量是接近的。因為二者的最小天線數目一樣，都是2。但發射天線數目翻倍也不是一點作用都沒，發射天線數目翻倍起到了分集作用，改善了接收端信噪比。兩者雖然極限容量一樣，但2×4的天線配置方式，下行的平均容量會提高。

1.3 多天線技術增益

陣列增益：在單天線發射功率不變的情況下，增加天線個數，可使接收端通過多路信號的相干合並，獲得平均信噪比（SNR）的增加。陣列增益是和天線個數（M）的對數lg（M）強相關的，陣列增益可以改善系統覆蓋。

功率增益：覆蓋范圍不變時增加天線數目可以降低天線口發射功率，繼而可以降低對設備功放線性范圍的要求。若單天線發射功率不變，採用多天線發射相當於總的發射功率增加，從而增加覆蓋范圍。

分集增益：同一路信號經過不同路徑到達接收端，可以有效對抗多徑衰落，減少接收端SNR的波動。獨立衰落的分支數目越大，接收端信噪比波動越小，分集增益越大。分集增益可以改善系統覆蓋，增加鏈路可靠性。

空間復用增益：提高極限容量和改善峰值速率。在天線間互不相關前提下，MIMO信道的容量可隨著接收天線和發射天線二者的最小數目線性增長。這個容量的增長就是空間復用增益。

干擾抑制增益：多天線收發系統中，空間存在的干擾有一定的統計規律。利用信道估計技術，選取不同的天線映射演算法，選擇合適的干擾抑制演算法，可降低干擾。

2.MIMO的工作模式

MIMO系統就是多個信號流在空中的並行傳輸。在發射端輸入的數據流變成幾路並行的符號流，分別從Mt個天線同時發射出去；接收端從Mr個接收天線將信號接收下來，恢復原始信號。

多個信號流可以是不同的數據流，也可以是同一個數據流的不同版本。

不同的數據流就是不同的信息同時發射，意味著信息傳送效率的提升，提高了無線通信的效率。

同一個數據流的不同版本，就是同樣的信息，不同的表達方式，並行發射出去，確保接受端收到信息的准確，提高信息傳送的可靠性。

為提高信息傳送效率的工作模式，就是MIMO的復用模式；為提高信息傳送可靠性的工作模式，就是MIMO的分集模式。

2.1 空分復用模式

空分復用（Space Multiplexing，SM）思想是把1個高速的數據流分割為幾個速率較低的數據流，分別在不同的天線進行編碼、調制，然後發送。天線之間相互獨立，一個天線相當於一個獨立的信道，接收機利用空間均衡器分離接收信號，然後解調、解碼，將幾個數據流合並，恢復出原始信號，如圖所示。

一路數據變為多路數據的方法是貝爾實驗室提出的時空轉移大法：空時編碼（Space Time Coding，STC），即BLAST（Bell Labs Layered Space-Time）技術。

將數據看作待轉運的貨物，為了快速地轉運（復用）出去，可以把它安排在不同的地點（空間），也可以變換交貨的時間。「不同的天線」就是空時編碼中「空間」的概念；「不同的OFDM周期」就是空時編碼中「時間」的概念。空時編碼的最小單位是TB塊（Transport block，傳輸塊），TB塊是一個子幀內含有的編碼前比特數，由很多個RB組成。一個TTI是1ms。

空分復用（SM）常用的空時編碼技術有兩種：預編碼（Precoding）、PARC（Per Antenna Rate Control，每天線速率控制）。

預編碼技術把原始數據流兩個符號分為一組進行變換，如某一組為」s1、s2「，轉換成並行數據流」z1、z2「，然後分別由不同的天線發出去，如圖所示。二者的關系式為：

其中V矩陣就是預編碼矩陣，他就是負責把數據流轉換到天線埠的數學變換公式。

PARC是不進行符號變換的，直接根據每個天線的信道條件調節其信息發送速率。天線信道好的，速率快一些，反之速率慢一些。速率本身也是一種時空編碼，只不過一路天線速度快些，另一路慢些。在天線口，PARC的空時編碼所做的工作就是直接把速率調節好的兩列數據搬在天線口發射，可不做變換。

2.2 空間分集模式

空間分集（Space Diversity，SD）的思想是製作同一個數據流的不同版本，分別在不同的天線進行編碼、調制，然後發送，如圖所示，這個數據流可以是原來要發送的數據流，也可以是原始數據流經過一定的數學變換後形成的新數據流。同一個東西，不同的面貌。接收機利用空間均衡器分離接收信號，然後解調、解碼，將同一數據流的不同接收信號合並，恢復出原始信號。空間分集可以起到可靠傳輸數據的作用。

不管是復用技術還是分集技術，都涉及把一路數據變成多路數據的技術，即時空編碼技術。

空間分集常用的技術有STBC（空時塊編碼）、SFBC（空頻塊編碼）、TSTD/FSTD（時間/頻率轉換傳送分集）、CDD（循環延時分集）。

STBC主要思想是在空間和時間兩個維度上安排數據流的不同版本，可以有時間和空間分集的效果，從而降低信道誤碼率提高可靠性。如圖所示，天線1上兩個符號s1，s2分別放在1個子幀兩個時隙的第一個OFDM符號周期上；天線2上這兩個符號調換一下時隙位置，把他們的另一個版本-s2*、s1*分別放在這個子幀的兩個時隙上。

SFBC的主要思想是在空間和頻率兩個維度上安排數據流的不同版本，可以有空間分集和頻率分集的效果。在天線1上，兩個符號s1、s2分別安排在兩個相鄰的子載波上，在天線2上，這兩個符號調換一下子載波的位置，把它們的另一個版本-s2*、s1*分別放在這兩個子載波上。

TSTD也是在空間和時間兩個維度上安排數據流的不同部分，有空間和時間分集的效果。在天線1和天線2的時隙位置上，交叉安排符號流s1、s2，符號排隊等待發射，在第一個符號周期，這個符號放在天線1上發射，下一符號周期則放在天線2上發射，以此類推。

TSTD/FSTD技術的矩陣表示形式如圖所示，

2.3 多天線工作模式對比

多天線技術主要指以下四種：空間復用、空間分集、空分多址（SDMA）、波束賦型。

空間分集利用天線間的不相關性來實現，這個不相關要求天線間距在10個電磁波波長以上。目的是提高鏈路質量而不是鏈路容量。

空間復用也是利用天線間不相關性來實現的。一般需要多個發射和接受天線，是一種MIMO方式，也可以是智能天線方式。在復用時，並行發射和接受多個數據流，目的是調高鏈路容量（峰值速率），而不是鏈路質量。

空分多址是利用相同的時隙、相同的子載波，但不同的天線傳送多個終端用戶的數據。不同用戶的數據如果要彼此相互區別就要求天線間的不相關性。空分多址的主要目的是通過空間上區別用戶，在鏈路上容納更多的用戶，提高容量。

波束賦型利用電磁波之間的相干特性，將電磁波的能量（波束）集中於某個特定的方向上。不同於以上三種，波束賦型利用的是天線陣元之間的相關性。因此波束賦型要求天線之間的距離小一些，通常在波長的1/2左右。主要目的是增強覆蓋和抑制干擾。使用波束賦型的多天線技術，就是傳統的智能天線（Smart Antenna)技術，也叫AAS（Adaptive Antenna System，自適應天線系統）。TD-SCDMA系統的關鍵技術就是智能天線。

MIMO主要利用天線之間的不相關性，而智能天線主要利用天線間的相關性。MIMO可有效克服多徑效應；而智能天線克服多徑能力有限但抗干擾效果較好。

2.4 MIMO工作模式小結

MIMO系統可根據不同的系統條件、變化的無線環境採用不同的工作模式，協議中定義了以下七種MIMO的工作模式：

1.單天線工作模式：傳統個無線制式的天線工作模式。

2.開環發射分集：利用復數共軛的數學方法，在多個天線上形成了彼此正交的空間信道，發送相同的數據流，提高傳輸可靠性。

3.開環空間復用：在不同的天線上人為製造「多徑效應」，一個天線正常發射。其他天線引入相位偏移環節。多個天線的發射關系構成復矩陣，並行地發射不同的數據流。這個復矩陣在發射端隨機選擇，不依賴接收端的反饋結果，就是開環空間復用。

4.閉環空間復用：發射端在並行發射多個數據流的時候，根據反饋的信道估計結果，選擇製造「多徑效應」的復矩陣，就是閉環空間復用

5.MU-MIMO：並行傳輸的多個數據流是由多個UE組合實現的，就是多用戶空間復用。

6.Rank=1的閉環發射分集：作為閉環空間復用的一特例，只傳輸一個數據流，也就是說空間信道的秩Rank=1。這種工作模式起到的是提高傳輸可靠性的作用，實際上是一種發射分集的方式。

7.波束賦型：多個天線協同工作，根據基站和UE的信道條件，實時計算不同的相位偏移方案，利用天線之間的相位干涉疊加原理，形成指向特定UE的波束。

3.MIMO系統的實現

把貨物運送的港口的過程分為三個步驟：

步驟一：打包方式的選擇（類似傳輸塊TB的形成）；

步驟二：根據貨物的種類和去往的目的地進行初步的分類（類似層映射）；

步驟三：運輸公司的選擇（預編碼矩陣的選擇）。

運輸公司確定好之後，由運輸公司選擇港口，而發貨方無須關心由哪個港口發送。

不同港口對應著不同的運輸公司和運輸航道。如何選擇港口來發送貨物？

有兩種方式：開環方式和閉環方式

開環就是根據自己對港口的條件判斷發貨，無須等待接收貨物方對發貨質量的確認。

閉環則要等待貨物接收方對運送質量的反饋，來決定選擇什麼樣的包裝方式和運輸公司

3.1 信息處理過程（這一小節的知識涉及到很多通信技術）

以發送圖片為例，經過手機高層對照片的處理，把照片變成了告訴的比特流，這個過程就是信源編碼的過程。這些告訴比特流要在MAC層按照一定的方式進行打包封裝，形成傳輸塊（TB）。TB就是MAC層傳到物理層的貨物。TB是一個子幀內含有信道編碼前的比特數據，時間長度為1ms（一個TTI）。一個TB由很多個RB組成，也就是說，TB塊有大有小，取決於調度器（Scheler）分配給某用戶的資源數量、調制編碼方式、天線映射方式等。

照片變成TB塊，送到LTE物理層之後，所經過的處理如圖。

TB塊到了物理層，首先要進行信道編碼。

信道編碼的目的是使數據流具有糾錯能力和抗干擾能力。信道編碼是在源比特數據流中按照一定規則加入一些冗餘比特，接收端可以用來判斷或糾錯。

常用的信道編碼規則是Turbo編碼。Turbo碼接近了香農公式所揭示的信道極限容量。但在大數據量的情況下，LDPC（低密度奇偶校驗碼）可獲得比Turbo碼更高的編碼增益，同時還能降低接收端解碼的復雜度，受到很多公司推崇。

信道編碼的目的是增加無線通信可靠性，但它增加了冗餘比特，使有用信息數據傳輸比例減少，增加了系統開銷。

接下來的過程是交織。交織的過程是打亂原來的比特流順序。這樣做之後，連續的深衰落對信息的影響實際是作用在打亂順序的比特數據流上；在恢復原來的順序後，這個影響就不是連續的了，而是離散的，就可以方便地根據冗餘比特恢復受干擾的原始數據。

加擾是對編碼後的數據逐比特地與擾碼序列進行運算。擾碼序列是一種PN序列（Pseudo-Noise Sequence，偽雜訊序列）。PN碼可以將數據間的干擾隨機化，可以對抗干擾。同時使用PN序列加擾，類似給數據上了一把鎖，而這個PN序列就是鑰匙。在接收端，有了這把鑰匙才能開始這把鎖。也就是說加擾起到了保密的作用，可以對抗竊聽。

調制是將比特數據流映射到復平面上的過程，也叫復數調制。QAM是幅度、相位聯合調制技術，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特。

復平面這種數學工具很適合用來表示這種既有幅值調制，又進行相位調制的變換關系。

如果說調制後的符號為x，x可以用I和Q來表示，即x=I+jQ。符號的I、Q分量，分別對應復平面的實部和虛部，也就是水平和垂直方向。

復數調制的輸入是由0、1組成的比特流，輸出的是I、Q值。映射出來的I、Q分量，再採用幅度調制，分別調制在相互正交的兩個載波（如cos wt和sin wt）上或相互正交的兩個時隙上。

LTE的復數調制有BPSK、QPSK、16QAM、64QAM。對比3G HSDPA中最高階的調制方式僅到16QAM，而LTE中最高階的調制方式可到64QAM。

完成調制後，基帶將進行MIMO相關的處理。將信道編碼、調制後的比特數據流送到發射天線埠的過程有兩個子過程：層映射和預編碼。

數據流的數量和發送天線數量是不一致的，將數據流比特送到不同的發送天線、不同時隙、不同子載波上，是一個復雜的數學變換過程。這個過程使用層映射和預編碼來完成。

為什麼不把多路數據流通過一步數學變換，直接映射到天線口，而要增加一個中間層呢？

中間層的增加好比從海口坐火車到哈爾濱，在中間站北京換乘一下；換乘站的增加使鐵路交通系統的運輸安排簡化了。

同樣道理，增加層映射的目的就是為了將復雜的數學變換簡單化。無線環境很復雜，要根據無線環境選擇MIMO的應用模式，比如選擇復用還是分集？如何復用或分集？

層數（Layer）是由信道的秩確定的，而信道的秩代表著一定無線環境下，MIMO系統彼此獨立的通道數。層數一般小於等於信道矩陣的秩，當然也小於等於物理信道傳輸所使用的天線埠數量P。

層映射就是將編碼調制後的數據流按照一定規則重新排列，將彼此獨立的碼字映射到空間概念層上。這個空間概念層是到物理天線埠的中轉站。通過這樣的轉換，原來串列的數據流就有了初步的空間概念。

預編碼是將層數據映射到不同的天線埠，不同的子載波上，不同的時隙上，以便實現分集或復用的目的。預編碼過程就是空時編碼的過程。從編碼調制後的數據發送到天線口的過程。以公司發貨過程為例，層映射就是將自己的貨物初步分類，而預編碼過程則是運輸公司安排不同的發貨方式。

預編碼後的數據已經確定了天線埠，也就是說確定了空間維度的資源；在每個天線埠上，將預編碼後的數據對應在子載波和時隙組成的二維物理資源（RE）上。接下來生成OFDM符號，插入CP，然後從各個天線埠發送給出去。

在接收端，通過多天線接收機將接收下來的信號，從OFDM的時頻資源讀取相應的數據，經過預編碼與層映射逆過程，然後解調、去擾、去交織、解碼，最後恢復出原始信息比特。

層映射、預編碼及其逆過程，如同求解線性方程組的未知數一樣，只不過發送過程和接受過程要求解的未知數不一樣而已。

到此為止，另一方就能接收到發送方發送的照片了。

之後是層映射、預編碼、自適應MIMO和多用戶MIMO等詳細的MIMO知識，不寫了，感興趣可以查看書本。

傳輸塊（Transport block）

一個傳輸塊就是包含MAC PDU的一個數據塊，這個數據塊會在一個TTI上傳輸，也是HARQ重傳的單位。LTE規定：對於每個終端一個TTI最多可以發送兩個傳輸塊。這個是針對某個UE，而對於eNodeB，每個TTI調度的傳輸塊就不止兩個，因為可以同時調度多個UE。TB是MAC的概念。

碼字（codeword）

一個碼字就是在一個TTI上發送的包含了CRC位並經過了編碼（Encoding）和速率匹配（Ratematching）之後的獨立傳輸塊（transport block）。LTE規定：對於每個終端一個TTI最多可以發送兩個碼字。通俗來說，碼字就是帶有CRC的TB。

層映射（Layer mapping）

將對一個或兩個碼字分別進行擾碼（Scrambling）和調制（Molation）之後得到的復數符號根據層映射矩陣映射到一個或多個傳輸層。層映射矩陣的維數為C×R，C為碼字的個數，R為階（Rank），也就是使用的傳輸層的個數。

天線埠（Antenna Port）

天線埠是邏輯概念，一個天線埠（antenna port）可以是一個物理發射天線，也可以是多個物理發射天線的合並。在這兩種情況下，終端（UE）的接收機（Receiver）都不會去分解來自一個天線埠的信號，因為從終端的角度來看，不管信道是由單個物理發射天線形成的，還是由多個物理發射天線合並而成的，這個天線埠對應的參考信號（ReferenceSignal）就定義了這個天線埠，終端都可以根據這個參考信號得到這個天線埠的信道估計。

碼字個數、階和天線埠數之間的關系

傳輸塊個數 = 碼字個數（C ）<=階（R）<=天線埠數（P）

後面三個名詞概念是物理層最基本但又比較抽象。回到3GPP 36.211 6.3節，下行物理鏈路過程如下：

對於測試工程師而言，物理層也只需要知道概述就行。而且現在很多晶元廠商，都把物理底層實現，並且是黑盒的，硬體實現，軟體開發方面也了解不到更細致的地方。

⑦ mimo系統和大規模mimo的區別

大規模MIMO是 T. L. Marzetta在2010年發表的文獻中提出的，他在文章中指出：「by increasing the number of antennas at the base station, we can average out the effects of fading, thermal noise and intra-cell interference.」意思是通過增加基站端的天線，可以平均掉衰落、雜訊、小區內干擾等，在分析方法上體現為大數定理、中心極限定理的應用，這樣帶來的一個好處是：大規模MIMO系統的信號處理方法不需要再採用復雜的非線性設計來避免上述提到的干擾，而只需要簡單的線性設計即可實現較好的系統性能。比如在預編碼方法研究方面（預編碼/波束成形在Martin JIANG的回答中有詳細的介紹）：傳統的MIMO系統中一般研究非線性預編碼方案，比如DPC（dirty-paper coding，臟紙），而大規模MIMO中一般採用線性預編碼，比如MRT（最大比發送）、ZF（迫零）、MMSE（最小均方誤差）。DPC這類演算法的復雜度較高，隨著基站天線數量的增加，若採用非線性預編碼會導致基站的計算復雜度激增，顯然DPC這類方法不再適用於大規模MIMO。此外，Lund University做了一些實際的測量（見文獻「Linear pre-coding performance in measured very-large MIMO channels」），實驗結果表明，在大規模MIMO系統中，採用低復雜度的線性預編碼即可實現DPC預編碼的98%的性能。
由此可見，天線數量的增加直接導致了信號處理方法的不同。相對比MIMO，大規模MIMO中新的問題和挑戰，就是大規模MIMO與傳統MIMO的不同，具體包括一下幾個方面：
1、信道測量和建模。
2、導頻設計以及降低導頻污染研究。
3、FDD模式下，下行信道估計、信號反饋、兩階段預編碼等研究。
4、降低硬體開銷的混合預編碼結構和方法研究。
5、低精度硬體和非完美硬體下的信號處理研究。
6、其他利用空間自由度、統計信道狀態信息、波束選擇、天線選擇等系列研究等。