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MIMO 基本原理介绍 课程目标： 了解 MIMO 的基本概念 了解 MIMO 的技术优势 理解 MIMO 传输模型 了解 MIMO 技术的典型应用 目 录 第 1 章 系统概述 1 1.1 MIMO 基本概念 1 1.2 LTE 系统中的 MIMO 模型 2 第 2 章 MIMO 基本原理 5 2.1 MIMO 系统模型 5 2.2 MIMO 系统容量 6 2.3 MIMO 关键技术 7 2.3.1 空间复用 7 2.3.2 空间分集 9 2.3.3 波束成形 13 2.3.4 上行天线选择 14 2.3.5 上行多用户 MIMO 15 第 3 章 MIMO 的应用 17 3.1 MIMO 模式概述 17 3.2 典型应用场景 19 3.2.1 MIMO 部署 19 3.2.2 发射分集的应用场景 21 3.2.3 闭环空间复用的应用场景 22 3.2.4 波束成形的应用场景 23 第 4 章 MIMO 系统性能分析 25 4.1 MIMO 系统仿真结果分析 25 4.2 MIMO 系统仿真结果汇总 27 第1章 系统概述 知识点 MIMO 基本概念 LTE 系统中的 MIMO 模型 1.1 MIMO 基本概念 多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破。通常，多径效应会引起 衰落，因而被视为有害因素，然而，多天线技术却能将多径作为一个有利因素加 以利用。 MIMO (Multiple Input Multiple output ：多输入多输出 )技术利用空间中的 多径因素，在发送端和接收端采用多个天线，如下图所示，通过空时处理技术实 现分集增益或复用增益，充分利用空间资源，提高频谱利用率。 1.1-1 MIMO 系统模型 总的来说， MIMO 技术的基础目的是： ● 提供更高的空间分集增益：联合发射分集和接收分集两部分的空间分集增 益，提供更大的空间分集增益，保证等效无线信道更加“平稳” ，从而降低 误码率，进一步提升系统容量； ● 提供更大的系统容量： 在信噪比 SNR 足够高， 同时信道条件满足 “秩 1 ”， 则可以在发射端把用户数据分解为多个并行的数据流，然后分别在每根发 送天线上进行同时刻、同频率的发送，同时保持总发射功率不变，最后， 再由多元接收天线阵根据各个并行数据流的空间特性，在接收机端将其识 别，并利用多用户解调结束最终恢复出原数据流。 1 MIMO 基本原理介绍 1.2 LTE 系统中的 MIMO 模型 无线通信系统中通常采用如下几种传输模型： 单输入单输出系统 SISO、多输入单 输出系统 MISO 、单输入多输出系统 SIMO 和多输入多输出系统 MIMO 。其传输 模型如下图所示。 图 1.2-1 典型传输模型示意图 在一个无线通信系统中，天线是处于最前端的信号处理部分。提高天线系统的性能和效率，将会直接给整个系统带来可观的增益。传统天线系统的发展经历了从 单发 /单收天线 SISO，到多发 /单收 MISO ，以及单发 /多收 SIMO 天线的阶段。 为了尽可能的抵抗这种时变 -多径衰落对信号传输的影响， 人们不断的寻找新的技 术。采用时间分集 （时域交织） 和频率分集 （扩展频谱技术） 技术就是在传统 SISO 系统中抵抗多径衰落的有效手段，而空间分集（多天线）技术就是 MISO 、SIMO 或 MIMO 系统进一步抵抗衰落的有效手段。 LTE 系统中常用的 MIMO 模型有下行单用户 MIMO （ SU-MIMO ）和上行多用户 MIMO （ MU-MIMO ）。 SU-MIMO （单用户 MIMO ）：指在同一时频单元上一个用户独占所有空间资源，这时的预编码考虑的是单个收发链路的性能，其传输模型如下图所示。 2 第1章 系统概述 1.2-2 单用户 MIMO MU-MIMO （多用户 MIMO ）：多个终端同时使用相同的时频资源块进行上行传输，其中每个终端都是采用 1 根发射天线，系统侧接收机对上行多用户混合接收信号 进行联合检测，最后恢复出各个用户的原始发射信号。上行 MU-MIMO 是大幅提 LTE 系统上行频谱效率的一个重要手段， 但是无法提高上行单用户峰值吞吐量。其传输模型如下图所示。 图 1.2-3 多用户 MIMO 3 2章 MIMO 基本原理 知识点 MIMO 系统模型 MIMO 系统容量 MIMO 关键技术 2.1 MIMO 系统模型 MIMO 系统在发射端和接收端均采用多天线 (或阵列天线 )和多通道， MIMO 的多 入多出是针对多径无线信道来说的。下图所示为 MIMO 系统的原理图。 图 2.1-1 多入多出系统原理 在发射器端配置了 Nt 个发射天线，在接收器端配置了 Nr 个接收天线， xj