fundamentals of mimo wireless communication

时间: 2023-08-01 12:01:17 浏览: 282
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多输入多输出（MIMO）是一种无线通信技术，它利用多个传输天线和接收天线来提高无线通信系统的性能。MIMO系统中的多个天线可以同时传输多个数据流，从而提高数据传输速率和可靠性。 MIMO无线通信的基本原理是通过增加传输和接收天线的数量来增加系统的自由度。这些额外的天线可以使系统在有限的频谱资源和发送功率条件下达到更高的数据传输速率。MIMO系统利用信道特性和天线之间的独立性来通过各个天线传输不同的数据流。通过合理设计发射和接收方案，可以最大程度地利用信道的多样性。 为了实现MIMO技术，需要对信道进行良好的建模和估计，以及实时的信道状态信息反馈。通过这些信息，发射端可以适应信道的变化，选择最佳的发送天线和调制方式，以最大化数据传输速率。 MIMO无线通信技术的应用非常广泛，包括移动通信系统、无线局域网、卫星通信等。在移动通信系统中，MIMO技术被用于提高网络的容量和覆盖范围，同时提供更好的用户体验。在无线局域网中，MIMO技术可以提高数据传输速率，支持更多的用户连接。在卫星通信中，MIMO技术可以提高数据传输的可靠性和抗干扰能力。 总的来说，MIMO无线通信技术通过增加传输和接收天线的数量，利用信道多样性和天线之间的独立性，提高无线通信系统的性能。它是现代无线通信系统中的重要技术，对于提高数据传输速率和可靠性具有重要意义。
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书名： 无线通信基础 原书名： Fundamentals of Wireless Communication 原出版社： Cambridge University Press 分类： 电子电气 >> 通信 作者： David Tse, Pramod Viswanath Contents 1 Introduction 12 1.1 Book Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2 Wireless Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Book Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 The Wireless Channel 21 2.1 Physical Modeling for Wireless Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.1 Free space, fixed transmitting and receive antennas . . . . . . . 23 2.1.2 Free space, moving antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.3 Reflecting wall, fixed antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1.4 Reflecting wall, moving antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.5 Reflection from a Ground Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1.6 Power Decay with Distance and Shadowing . . . . . . . . . . . . 30 2.1.7 Moving Antenna, Multiple Reflectors . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2 Input/Output Model of the Wireless Channel . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.1 The Wireless Channel as a Linear Time-Varying System . . . . 32 2.2.2 Baseband Equivalent Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.3 A Discrete Time Baseband Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Discussion 2.1 Degrees of Freedom . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.4 Additive White Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3 Time and Frequency Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.3.1 Doppler Spread and Coherence Time . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.3.2 Delay Spread and Coherence Bandwidth . . . . . . . . . . . . . 44 2.4 Statistical Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.4.1 Modeling Philosophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.4.2 Rayleigh and Rician Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.4.3 Tap Gain Autocorrelation Function . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Example 2.2 Clarke’s Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.5 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3 Point-to-Point Communication: Detection, Diversity and Channel Uncertainty 64 3.1 Detection in a Rayleigh Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.1.1 Noncoherent Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.1.2 Coherent Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.1.3 From BPSK to QPSK: Exploiting the Degrees of Freedom . . . 72 3.1.4 Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.2 Time Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.2.1 Repetition Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.2.2 Beyond Repetition Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Example 3.1 Time Diversity in GSM . . . . . . . . . . . . . . 86 3.3 Antenna Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.3.1 Receive Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.3.2 Transmit Diversity: Space-Time Codes . . . . . . . . . . . . . . 90 3.3.3 MIMO: A 2 × 2 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.4 Frequency Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.4.1 Basic Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.4.2 Single-Carrier with ISI Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.4.3 Direct Sequence Spread Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.4.4 Orthogonal Frequency Division Multiplexing . . . . . . . . . . . 114 3.5 Impact of Channel Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 3.5.1 Noncoherent Detection for DS Spread Spectrum . . . . . . . . . 122 3.5.2 Channel Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.5.3 Other Diversity Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 3.6 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4 Cellular Systems: Multiple Access and Interference Management 143 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 4.2 Narrowband Cellular Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.2.1 Narrowband allocations: GSM system . . . . . . . . . . . . . . 147 4.2.2 Impact on Network and System Design . . . . . . . . . . . . . . 150 4.2.3 Impact on Frequency Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.3 Wideband Systems: CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 4.3.1 CDMA Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.3.2 CDMA Downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 4.3.3 System Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.4 Wideband Systems: OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 4.4.1 Allocation Design Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 4.4.2 Hopping Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 4.4.3 Signal Characteristics and Receiver Design . . . . . . . . . . . . 177 4.4.4 Sectorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Example 4.1 Flash-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 4.5 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 5 Capacity of Wireless Channels 195 5.1 AWGN Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 5.1.1 Repetition Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 5.1.2 Packing Spheres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Discussion 5.1 Capacity-Achieving AWGN Channel Codes . . 199 5.2 Resources of the AWGN Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 5.2.1 Continuous-Time AWGN Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 5.2.2 Power and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Example 5.2 Bandwidth Reuse in Cellular Systems . . . . . . 205 5.3 Linear Time-Invariant Gaussian Channels . . . . . . . . . . . . . . . . 209 5.3.1 Single Input Multiple Output (SIMO) Channel . . . . . . . . . 209 5.3.2 Multiple Input Single Output (MISO) Channel . . . . . . . . . 210 5.3.3 Frequency-Selective Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.4 Capacity of Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 5.4.1 Slow Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 5.4.2 Receive Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 5.4.3 Transmit Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 5.4.4 Time and Frequency Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 5.4.5 Fast Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 5.4.6 Transmitter Side Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Example 5.3 Rate Adaptation in IS-856 . . . . . . . . . . . . . 244 5.4.7 Frequency-Selective Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . 247 5.4.8 Summary: A Shift in Point of View . . . . . . . . . . . . . . . . 248 5.5 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 5.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 6 Multiuser Capacity and Opportunistic Communication 266 6.1 Uplink AWGN Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 6.1.1 Capacity via Successive Interference Cancellation . . . . . . . . 267 6.1.2 Comparison with Conventional CDMA . . . . . . . . . . . . . . 271 6.1.3 Comparison with Orthogonal Multiple Access . . . . . . . . . . 271 6.1.4 General K-user Uplink Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 6.2 Downlink AWGN Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 6.2.1 Symmetric Case: Two Capacity-Achieving Schemes . . . . . . . 276 6.2.2 General Case: Superposition Coding Achieves Capacity . . . . . 279 Discussion 6.1 SIC: Implementation Issues . . . . . . . . . . . 283 6.3 Uplink Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 6.3.1 Slow Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 6.3.2 Fast Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 6.3.3 Full Channel Side Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 6.4 Downlink Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 6.4.1 Channel Side Information at Receiver Only . . . . . . . . . . . . 293 6.4.2 Full Channel Side Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 6.5 Frequency-Selective Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 6.6 Multiuser Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 6.6.1 Multiuser Diversity Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 6.6.2 Multiuser versus Classical Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . 298 6.7 Multiuser Diversity: System Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 6.7.1 Fair Scheduling and Multiuser Diversity . . . . . . . . . . . . . 301 6.7.2 Channel Prediction and Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 6.7.3 Opportunistic Beamforming using Dumb Antennas . . . . . . . 309 6.7.4 Multiuser Diversity in Multi-cell Systems . . . . . . . . . . . . . 318 6.7.5 A System View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 6.8 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 6.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 7 MIMO I: Spatial Multiplexing and Channel Modeling 342 7.1 Multiplexing Capability of Deterministic MIMO Channels . . . . . . . 343 7.1.1 Capacity via Singular Value Decomposition . . . . . . . . . . . 343 7.1.2 Rank and Condition Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 7.2 Physical Modeling of MIMO Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 7.2.1 Line-of-Sight SIMO channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 7.2.2 Line-of-Sight MISO Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 7.2.3 Antenna arrays with only a line-of-sight path . . . . . . . . . . 351 7.2.4 Geographically separated antennas . . . . . . . . . . . . . . . . 352 7.2.5 Line-of-sight plus one reflected path . . . . . . . . . . . . . . . . 359 7.3 Modeling of MIMO Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 7.3.1 Basic Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 7.3.2 MIMO Multipath Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 7.3.3 Angular Domain Representation of Signals . . . . . . . . . . . . 367 7.3.4 Angular Domain Representation of MIMO Channels . . . . . . . 370 7.3.5 Statistical Modeling in the Angular Domain . . . . . . . . . . . 372 7.3.6 Degrees of Freedom and Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 Example 7.1 Degrees of Freedom in Clustered Response Models 375 7.3.7 Dependency on Antenna Spacing . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 7.3.8 I.I.D. Rayleigh Fading Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 7.4 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 7.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 8 MIMO II: Capacity and Multiplexing Architectures 393 8.1 The V-BLAST Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 8.2 Fast Fading MIMO Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 8.2.1 Capacity with CSI at Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 8.2.2 Performance Gains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 8.2.3 Full CSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 8.3 Receiver Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 8.3.1 Linear Decorrelator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 8.3.2 Successive Cancellation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 8.3.3 Linear MMSE Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 8.3.4 Information Theoretic Optimality* . . . . . . . . . . . . . . . . 427 Discussion 8.1 Connections with CDMA Multiuser Detection and ISI Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 8.4 Slow Fading MIMO Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 8.5 D-BLAST: An Outage-Optimal Architecture . . . . . . . . . . . . . . . 433 8.5.1 Sub-optimality of V-BLAST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 8.5.2 Coding Across Transmit Antennas: D-BLAST . . . . . . . . . . 435 8.5.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 8.6 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 8.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 9 MIMO III: Diversity-Multiplexing Tradeoff and Universal Space-Time Codes 451 9.1 Diversity-Multiplexing Tradeoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 9.1.1 Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 9.1.2 Scalar Rayleigh Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 9.1.3 Parallel Rayleigh Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 9.1.4 MISO Rayleigh Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 9.1.5 2 × 2 MIMO Rayleigh Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460 9.1.6 nt × nr MIMO i.i.d. Rayleigh Channel . . . . . . . . . . . . . . 463 9.2 Universal Code Design for Optimal Diversity-Multiplexing Tradeoff . . 467 9.2.1 QAM is Approximately Universal for Scalar Channels . . . . . . 468 9.2.2 Universal Code Design for Parallel Channels . . . . . . . . . . . 470 9.2.3 Universal Code Design for MISO Channels . . . . . . . . . . . . 477 9.2.4 Universal Code Design for MIMO Channels . . . . . . . . . . . 481 Discussion 9.1 Universal Codes in the Downlink . . . . . . . . 485 9.3 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 9.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 10 MIMO IV: Multiuser Communication 497 10.1 Uplink with Multiple Receive Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 10.1.1 Space-Division Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 10.1.2 SDMA Capacity Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 10.1.3 System Implications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 10.1.4 Slow Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 10.1.5 Fast Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 10.1.6 Multiuser Diversity Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 10.2 MIMO Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516 10.2.1 SDMA with Multiple Transmit Antennas . . . . . . . . . . . . . 517 10.2.2 System Implications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 10.2.3 Fast Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 10.3 Downlink with Multiple Transmit Antennas . . . . . . . . . . . . . . . 523 10.3.1 Degrees of Freedom in the Downlink . . . . . . . . . . . . . . . 523 10.3.2 Uplink-Downlink Duality and Transmit Beamforming . . . . . . 525 10.3.3 Precoding for Interference Known at Transmitter . . . . . . . . 530 10.3.4 Precoding for the downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543 10.3.5 Fast Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 10.4 MIMO Downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 10.5 Multiple Antennas in Cellular Networks: A System View . . . . . . . . 552 10.5.1 Inter-cell Interference Management . . . . . . . . . . . . . . . . 554 10.5.2 Uplink with Multiple Receive Antennas . . . . . . . . . . . . . . 555 10.5.3 MIMO Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 10.5.4 Downlink with Multiple Receive Antennas . . . . . . . . . . . . 558 10.5.5 Downlink with Multiple Transmit Antennas . . . . . . . . . . . 559 Example 10.1 SDMA in ArrayComm Systems . . . . . . . . . 559 10.6 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 10.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 A Detection and Estimation in Additive Gaussian Noise 579 A.1 Gaussian Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 A.1.1 Scalar Real Gaussian Random Variable . . . . . . . . . . . . . . 579 A.1.2 Real Gaussian Random Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580 A.1.3 Complex Gaussian Random Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . 583 A.2 Detection in Gaussian Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 A.2.1 Scalar Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 A.2.2 Detection in a Vector Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587 A.2.3 Detection in a Complex Vector Space . . . . . . . . . . . . . . . 591 A.3 Estimation in Gaussian Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 A.3.1 Scalar Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 A.3.2 Estimation in a Vector Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594 A.3.3 Estimation in a Complex Vector Space . . . . . . . . . . . . . . 595 A.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597 B Information Theory Background 599 B.1 Discrete Memoryless Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599 Example B.1 Binary Symmetric Channel . . . . . . . . . . . . 601 Example B.2 Binary Erasure Channel . . . . . . . . . . . . . . 601 B.2 Entropy, Conditional Entropy and Mutual Information . . . . . . . . . 602 Example B.3 Binary Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 B.3 Noisy Channel Coding Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605 B.3.1 Reliable Communication and Conditional Entropy . . . . . . . . 606 B.3.2 A Simple Upper Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606 B.3.3 Achieving the Upper Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607 Example B.4 Binary Symmetric Channel . . . . . . . . . . . . 609 Example B.5 Binary Erasure Channel . . . . . . . . . . . . . . 609
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Fundamentals of Wireless Communication

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Fundamentals Of Wireless Communication

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Fundamentals of wireless communication

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Fundamentals of Wireless Communication(PPT)

Viswanath, _Fundamentals of Wireless Communication_, Cambridge University Press, 2005. - [http://www.eecs.berkeley.edu/~dtse](http://www.eecs.berkeley.edu/~dtse) 通过本课程的学习，学生将获得无线通信...
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