mimo波束成形模擬程序

Ⅰ 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。