1、MIMO天線技術(shù),MIMO天線的歷史、原理及特點(diǎn),概述,技術(shù),設(shè)計(jì)優(yōu)化,MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和優(yōu)化,空間分集和空間復(fù)用等技術(shù),應(yīng)用,MIMO天線的歷史、原理及特點(diǎn),概述,技術(shù),設(shè)計(jì)優(yōu)化,MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和優(yōu)化,空間分集和空間復(fù)用等技術(shù),應(yīng)用,MIMO系統(tǒng)提出背景,傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端通常各使用一根天線 信道容量： 容量表示通信系統(tǒng)的最大傳輸速率，香農(nóng)公式確定了在有噪聲的信道中進(jìn)行可靠通信的上限速率。隨著對(duì)通信速率要求的不斷提高，因此需要突破傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的容量界限。,提升信道容量的方法,1.設(shè)置更多的基站,代價(jià)高,2.拓寬已使用的頻帶,資源緊張,3.提高頻譜使用效率,增

2、加信噪比,器件散熱、干擾電平,為了改善通信質(zhì)量，提高信道容量，由SIMO和MISO技術(shù)發(fā)展演變?yōu)镸IMO（Multiple Input Mutiple Output),什么是MIMO,MIMO是指在發(fā)射端和接收端采用多根天線，使信號(hào)在空間獲得陣列增益、分集增益、復(fù)用增益和干擾抵消等的一種多天線技術(shù)。,MIMO系統(tǒng)工作過程,MIMO系統(tǒng)配有M根發(fā)送天線和 N 根接收天線在發(fā)送端經(jīng)空時(shí)編碼形成M個(gè)子信息流，送到天線進(jìn)行發(fā)射，并行傳送，在接收端根據(jù)不同天線信號(hào)在無線信道中的不相關(guān)性，通過各種空時(shí)檢測技術(shù)把并行合流為串行數(shù)據(jù)流。,各個(gè)天線之間的距離足夠大，防止信號(hào)間過大的相關(guān)性 任意無線信道是相互獨(dú)立

3、或具有很小的相關(guān)性,壹,貳,MIMO系統(tǒng)的特點(diǎn)：,MIMO技術(shù)是如何提高信道容量,在收發(fā)天線之間形成了 N M信道矩陣H ，在某一時(shí)刻t，信道矩陣為：,元素h是發(fā)射天線i的信道增益。假定發(fā)送端確定信道信息，總的發(fā)送功率為P，功率與發(fā)送天線的數(shù)量M無關(guān)；各個(gè)接受天線的噪聲功率均為發(fā)射功率平均分配到每一個(gè)發(fā)送天線上，則系統(tǒng)容量為：,注：H為NM的信道矩陣，上標(biāo)H表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置,SIMO信道容量（H已知） 為接收天線數(shù)目 接收天線對(duì)信道容量的增加貢獻(xiàn)呈指數(shù)，信道情況知曉否對(duì)容量無明顯影響,MISO信道容量,H已知： （,為發(fā)射天線數(shù)目）,H未知,當(dāng)發(fā)送與接收端都對(duì)H一無所知時(shí)，系統(tǒng)容量沒有提升,當(dāng)天

4、線數(shù)量較多時(shí)，系統(tǒng)容量可近似表達(dá)為： B為信號(hào)帶寬，p為接收端平均信噪比 該系統(tǒng)的容量隨最小天線數(shù)目min（M,N)線性增長。 MIMO技術(shù)實(shí)質(zhì)上是為無線通信系統(tǒng)提供一定的分集增益和復(fù)用增益。對(duì)于理想的隨機(jī)信道，如果天線的空間和成本不受限制，MIMO系統(tǒng)就能提供無限大的容量。,MIMO天線的歷史、原理及特點(diǎn),概述,技術(shù),設(shè)計(jì)優(yōu)化,MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和優(yōu)化,空間分集和空間復(fù)用等技術(shù),應(yīng)用,空間復(fù)用,1,2,空間分集,關(guān)鍵技術(shù),空時(shí)編碼,3,空間復(fù)用,1,2,空間分集,關(guān)鍵技術(shù),空時(shí)編碼,3,空間被當(dāng)作一種能有效提供分集的資源，假設(shè)接收機(jī)具有多個(gè)天線，發(fā)射信號(hào)通過不同路徑到達(dá)接收機(jī)，如果接收機(jī)

5、的天線距離足夠大（通常大于半個(gè)波長即可），那么接收信號(hào)將會(huì)經(jīng)歷不同的信道衰落，即每個(gè)接收信號(hào)可以看作獨(dú)立的，從而提供空間分集。 空間分集實(shí)質(zhì)上是通過信號(hào)通過不同路徑獲得的 收機(jī)端獲得同一個(gè)多個(gè)獨(dú)立衰落的信號(hào)，用多根發(fā)送天線將具有相同信息的信號(hào)通過不同的路徑發(fā)送,空間分集：,重復(fù)以降低誤碼率，保重信號(hào)的可靠接受,作用,空間分集：,空間復(fù)用,1,2,空間分集,關(guān)鍵技術(shù),空時(shí)編碼,3,在發(fā)射端，高速率的數(shù)據(jù)流被分割為多個(gè)較低速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同的發(fā)射天線上在相同頻段上發(fā)射出去。 空間復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)是提高傳輸速率。,空間復(fù)用：,空間復(fù)用,1,2,空間分集,關(guān)鍵技術(shù),空時(shí)編碼,3,空時(shí)編碼,

6、空時(shí)分組編碼就是在空間域和時(shí)間域兩維方向上對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼。在時(shí)間上把不同信號(hào)在不同時(shí)隙內(nèi)使用同一個(gè)天線發(fā)射，使接收端可以分集接收。用這樣的方法可以獲得分集和編碼增益，從而實(shí)現(xiàn)高速率的傳輸。 作用：為不同天線上發(fā)射的信號(hào)引入了時(shí)間和空間的相關(guān)性，從而提高系統(tǒng)容量和信道利用率,編,時(shí),碼,CONTENTS,空,空時(shí)網(wǎng)格碼（STTC）,空時(shí)塊編碼（STBC）,空時(shí)分層碼（LSTC）,關(guān)鍵技術(shù)小結(jié),MIMO優(yōu)點(diǎn),不增加頻譜資源 不增加發(fā)射天線功率,多發(fā)多收,充分利用空間資源 成倍提高系統(tǒng)信道容量 改善通信質(zhì)量,MIMO天線的歷史、原理及特點(diǎn),概述,技術(shù),設(shè)計(jì)優(yōu)化,MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和優(yōu)化,空間分集

7、和空間復(fù)用等技術(shù),應(yīng)用,在MIMO系統(tǒng)中，天線的數(shù)目和間距是影響系統(tǒng)參數(shù)的重要因素，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： 采用小型化天線，盡量減小天線尺寸； 將多副天線的功能集中到一副天線上，用一副天線來代替二副或多副天線。,MIMO天線設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)思想：,增大頻率帶寬，便于MIMO系統(tǒng)頻段在一定范圍內(nèi)做調(diào)整； 保證分集接收效果，實(shí)現(xiàn)雙極化，正負(fù)45度正交極化，并工作于雙工模式；,改善方向圖，控制（垂直，減小；水平，增大）波瓣寬度提高增益； 采用分集技術(shù)，減輕衰落的影響，獲得分集增益，提高接收靈敏度； 改進(jìn)天線結(jié)構(gòu)，如減小天線尺寸。,MIMO-OFDM 定義：OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，基本思想是將信道分

8、成若干個(gè)正交子信道，然后將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速數(shù)據(jù)流，并調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，在接收端分開正交信號(hào)并減少子信道間干擾。 優(yōu)點(diǎn)：用多個(gè)天線傳輸不同子信道上的數(shù)據(jù)，可以大大降低無線寬帶通信系統(tǒng)中接收機(jī)的復(fù)雜度。,MIMO技術(shù)優(yōu)化,多天線分布策略 定義：MIMO技術(shù)可以比較簡單地直接應(yīng)用于傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，將基站的單 天線換為多個(gè)天線構(gòu)成的天線陣列。 優(yōu)點(diǎn)：MIMO智能天線分布策略,通過多天線基站分布優(yōu)化來增強(qiáng)衰落獨(dú)立性。 與傳統(tǒng)陣列相比： A 陣元間距要足夠 B 不要求方向性 C 無須設(shè)計(jì)饋電電路 D 布局靈活 如圖,基站通過天線陣列與小區(qū)內(nèi)的具有多個(gè)天線的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行MIMO通信

9、。,1,發(fā)展背景：在一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，接收端的節(jié)點(diǎn)比較小，無法安裝多天線或者沒有足夠的能量支持多天線。我們就會(huì)用到虛擬MIMO技術(shù)。,2,定義：虛擬MIMO的基本思想是天線共享，多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同接收數(shù)據(jù)，然后在節(jié)點(diǎn)之間共享數(shù)據(jù)。這樣可以使一些無法安裝多天線的設(shè)備提高傳輸容量。,3,問題：虛擬MIMO在實(shí)現(xiàn)的過程中還存在很多問題，如物理層關(guān)鍵問題，共享安全，不同系統(tǒng)兼容等,虛擬MIMO,MIMO天線的歷史、原理及特點(diǎn),概述,技術(shù),設(shè)計(jì)優(yōu)化,MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和優(yōu)化,空間分集和空間復(fù)用等技術(shù),應(yīng)用,雷達(dá),1,2,無線傳輸,應(yīng)用領(lǐng)域,智能電網(wǎng),3,2,1,雷達(dá),1,2,無線傳輸,

10、應(yīng)用領(lǐng)域,智能電網(wǎng),3,2,為了提高系統(tǒng)容量，下一代的無線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)將會(huì)采用MIMO技術(shù)。,應(yīng)用MIMO技術(shù)的無線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)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(gè)基站天線集中排列形成天線陣列，放置于覆蓋小區(qū): 集中式MIMO 另一類是基站的多個(gè)天線分散放置在覆蓋小區(qū): 分布式MIMO。,雷達(dá),1,2,無線傳輸,應(yīng)用領(lǐng)域,智能電網(wǎng),3,2,MIMO技術(shù)在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用,MIMO技術(shù)能使雷達(dá)系統(tǒng)通過獨(dú)特的時(shí)間-能量管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)獨(dú)立寬波束同時(shí)照射。主要是通過多個(gè)天線發(fā)射不同的正交波形，同時(shí)覆蓋較大空域，并利用長時(shí)間相干積累來獲得較高的信噪比。 MIMO雷達(dá)具有處理維數(shù)更高、手法孔徑利用更充分、角分辨率更高的優(yōu)點(diǎn),如圖所示,在將遠(yuǎn)程預(yù)警機(jī)或衛(wèi)星作為MIMO 雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng),通過在飛機(jī)、地面艦船、導(dǎo)彈或戰(zhàn)車平臺(tái)上布置一部MIMO雷達(dá)小型化接收系統(tǒng)。該雷達(dá)本身就是一部完整的收發(fā)分置MIMO雷達(dá),可以分別對(duì)目標(biāo)和干擾完成自適應(yīng)以及自學(xué)習(xí)的觀測和抑制。,雷達(dá),1,2,無線傳輸,應(yīng)用領(lǐng)域,智能電網(wǎng),3,2,MIMO技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用,智能電網(wǎng)選擇MIMO技術(shù)作為主要的通信方式