MIMO天线设计解读

1、MIMO天线技术,.,2,MIMO天线的历史、原理及特点,概述,技术,设计优化,MIMO系统的设计原则和优化,空间分集和空间复用等技术,应用,.,3,MIMO天线的历史、原理及特点,概述,技术,设计优化,MIMO系统的设计原则和优化,空间分集和空间复用等技术,应用,.,4,MIMO系统提出背景,传统无线通信系统中，发射端和接收端通常各使用一根天线 信道容量： 容量表示通信系统的最大传输速率，香农公式确定了在有噪声的信道中进行可靠通信的上限速率。随着对通信速率要求的不断提高，因此需要突破传统无线通信系统的容量界限。,.,5,提升信道容量的方法,1.设置更多的基站,代价高,2.拓宽已使用的频带,资

2、源紧张,3.提高频谱使用效率,增加信噪比,器件散热、干扰电平,为了改善通信质量，提高信道容量，由SIMO和MISO技术发展演变为MIMO（Multiple Input Mutiple Output),.,6,什么是MIMO,MIMO是指在发射端和接收端采用多根天线，使信号在空间获得阵列增益、分集增益、复用增益和干扰抵消等的一种多天线技术。,.,7,MIMO系统工作过程,MIMO系统配有M根发送天线和 N 根接收天线在发送端经空时编码形成M个子信息流，送到天线进行发射，并行传送，在接收端根据不同天线信号在无线信道中的不相关性，通过各种空时检测技术把并行合流为串行数据流。,.,8,各个天线之间的距

3、离足够大，防止信号间过大的相关性 任意无线信道是相互独立或具有很小的相关性,壹,贰,MIMO系统的特点：,.,9,MIMO技术是如何提高信道容量,.,10,在收发天线之间形成了 N M信道矩阵H ，在某一时刻t，信道矩阵为：,元素h是发射天线i的信道增益。假定发送端确定信道信息，总的发送功率为P，功率与发送天线的数量M无关；各个接受天线的噪声功率均为发射功率平均分配到每一个发送天线上，则系统容量为：,注：H为NM的信道矩阵，上标H表示复共轭转置,.,11,SIMO信道容量（H已知） 为接收天线数目 接收天线对信道容量的增加贡献呈指数，信道情况知晓否对容量无明显影响,.,12,MISO信道容量,

4、H已知： （,为发射天线数目）,H未知,当发送与接收端都对H一无所知时，系统容量没有提升,.,13,当天线数量较多时，系统容量可近似表达为： B为信号带宽，p为接收端平均信噪比 该系统的容量随最小天线数目min（M,N)线性增长。 MIMO技术实质上是为无线通信系统提供一定的分集增益和复用增益。对于理想的随机信道，如果天线的空间和成本不受限制，MIMO系统就能提供无限大的容量。,.,14,MIMO天线的历史、原理及特点,概述,技术,设计优化,MIMO系统的设计原则和优化,空间分集和空间复用等技术,应用,.,15,空间复用,1,2,空间分集,关键技术,空时编码,3,.,16,空间复用,1,2,空

5、间分集,关键技术,空时编码,3,.,17,空间被当作一种能有效提供分集的资源，假设接收机具有多个天线，发射信号通过不同路径到达接收机，如果接收机的天线距离足够大（通常大于半个波长即可），那么接收信号将会经历不同的信道衰落，即每个接收信号可以看作独立的，从而提供空间分集。 空间分集实质上是通过信号通过不同路径获得的 收机端获得同一个多个独立衰落的信号，用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送,空间分集：,.,18,重复以降低误码率，保重信号的可靠接受,作用,空间分集：,.,19,空间复用,1,2,空间分集,关键技术,空时编码,3,.,20,在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率

6、的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。 空间复用的优点是提高传输速率。,空间复用：,.,21,空间复用,1,2,空间分集,关键技术,空时编码,3,.,22,空时编码,空时分组编码就是在空间域和时间域两维方向上对信号进行编码。在时间上把不同信号在不同时隙内使用同一个天线发射，使接收端可以分集接收。用这样的方法可以获得分集和编码增益，从而实现高速率的传输。 作用：为不同天线上发射的信号引入了时间和空间的相关性，从而提高系统容量和信道利用率,.,23,编,时,码,CONTENTS,空,空时网格码（STTC）,空时块编码（STBC）,空时分层码（LSTC）,.,24,关键技

7、术小结,.,25,MIMO优点,不增加频谱资源 不增加发射天线功率,多发多收,充分利用空间资源 成倍提高系统信道容量 改善通信质量,.,26,MIMO天线的历史、原理及特点,概述,技术,设计优化,MIMO系统的设计原则和优化,空间分集和空间复用等技术,应用,.,27,在MIMO系统中，天线的数目和间距是影响系统参数的重要因素，在设计时应注意以下两点： 采用小型化天线，尽量减小天线尺寸； 将多副天线的功能集中到一副天线上，用一副天线来代替二副或多副天线。,MIMO天线设计,.,28,设计思想：,增大频率带宽，便于MIMO系统频段在一定范围内做调整； 保证分集接收效果，实现双极化，正负45度正交极

8、化，并工作于双工模式；,.,29,改善方向图，控制（垂直，减小；水平，增大）波瓣宽度提高增益； 采用分集技术，减轻衰落的影响，获得分集增益，提高接收灵敏度； 改进天线结构，如减小天线尺寸。,.,30,MIMO-OFDM 定义：OFDM是一种多载波调制技术，基本思想是将信道分成若干个正交子信道，然后将高速数据信号转换成并行的低速数据流，并调制到每个子信道上进行传输，在接收端分开正交信号并减少子信道间干扰。 优点：用多个天线传输不同子信道上的数据，可以大大降低无线宽带通信系统中接收机的复杂度。,MIMO技术优化,.,31,多天线分布策略 定义：MIMO技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系

9、统，将基站的单 天线换为多个天线构成的天线阵列。 优点：MIMO智能天线分布策略,通过多天线基站分布优化来增强衰落独立性。 与传统阵列相比： A 阵元间距要足够 B 不要求方向性 C 无须设计馈电电路 D 布局灵活 如图,基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行MIMO通信。,.,32,1,发展背景：在一些无线传感器网络或者移动通信网络中，接收端的节点比较小，无法安装多天线或者没有足够的能量支持多天线。我们就会用到虚拟MIMO技术。,2,定义：虚拟MIMO的基本思想是天线共享，多个节点共同接收数据，然后在节点之间共享数据。这样可以使一些无法安装多天线的设备提高传输容量。,3,问题：虚

10、拟MIMO在实现的过程中还存在很多问题，如物理层关键问题，共享安全，不同系统兼容等,虚拟MIMO,.,33,MIMO天线的历史、原理及特点,概述,技术,设计优化,MIMO系统的设计原则和优化,空间分集和空间复用等技术,应用,.,34,雷达,1,2,无线传输,应用领域,智能电网,3,2,1,.,35,雷达,1,2,无线传输,应用领域,智能电网,3,2,.,36,为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用MIMO技术。,应用MIMO技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类： 一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区: 集中式MIMO 另一类是基站

11、的多个天线分散放置在覆盖小区: 分布式MIMO。,.,37,.,38,雷达,1,2,无线传输,应用领域,智能电网,3,2,.,39,MIMO技术在雷达领域的应用,MIMO技术能使雷达系统通过独特的时间-能量管理技术实现对个独立宽波束同时照射。主要是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雷达具有处理维数更高、手法孔径利用更充分、角分辨率更高的优点,.,40,如图所示,在将远程预警机或卫星作为MIMO 雷达的发射系统,通过在飞机、地面舰船、导弹或战车平台上布置一部MIMO雷达小型化接收系统。该雷达本身就是一部完整的收发分置MIMO雷达,可以分别对目标和干扰完成自适应以及自学习的观测和抑制。,.,41,雷达,1,2,无线传输,应用领域,智能电网,3,2,.,42,MIMO技术在智能电网中的应用,智能电网选择MIMO技术作为主要的通信方式