MIMO是如何实现可靠性的提升
mimo是如何实现抗干扰的？
我们都知道mimo有两种方式，分集和复用；mimo也有两个显著的特点——可靠性与有效性。
mimo采用多进多出的天线，来实现可靠性和有效性的提升。公网采用mimo用来提升通信容量——有效性，专网通信用mimo来提升系统的可靠性。
今天主要来讲一讲mimo是如何实现可靠性的提升。
分集
分集是在多条独立通道传输相同的数据，接收端通过分集合并技术，抵抗信道衰落，提升信道传输的可靠性。
复用
复用是在多条独立信道传输不同的数据，提升频谱利用率，增加信道容量。
在了解分集提升抗干扰性之前，我们先了解两个概念。
瑞利衰落和多径效应。
瑞利衰落是指信号在传输过程中，由于多普勒效应的影响使得信号的相位和幅度发生快速变化，这种变化被称为快速衰落。
多径衰落则是指信号在传输过程中经历了多条路径，不同路径的信号到达时相位不同引起信号的叠加干扰，导致信号的衰落。
瑞利衰落和多径衰落都是无线传输中不可避免的信道影响，但它们的产生机理不同。多径衰落是由于信号在传播时经历了不同路径的干涉导致信号衰减，而瑞利衰落则是由于信号振荡和干扰造成的快速衰落。在环境较为简单的开放区域，多径效应相对弱，主要由瑞利衰落引起；而在城市、山地等复杂环境下，多径效应很强，是主要的信道衰落因子。
瑞利衰落和多径衰落都衰落的一种,衰落具有独立性，即只要接收距离足够大，则接收到的信号衰落不具备相关性，这就是mimo分集抗衰落的设计原则。
在信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。分集在天线设计时，都会保证各个天线之间无相关，所以天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小 。
对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。
对比仿真
从仿真结果看，2t1r的效果好于1t1r，1t2r的效果好于2t1r，这也能理解4g手机是1发多收，而不是多发1收。
附仿真代码
frmlen = 100; % frame lengthnumpackets = 1000; % number of packetsebno = 020; % eb/no varying to 20 dbn = 2; % maximum number of tx antennasm = 2; % maximum number of rx antennas% create comm.bpskmodulator and comm.bpskdemodulator system objects(tm)p = 2; % modulation orderbpskmod = comm.bpskmodulator;bpskdemod = comm.bpskdemodulator('outputdatatype','double');% create comm.ostbcencoder and comm.ostbccombiner system objectsostbcenc = comm.ostbcencoder;ostbccomb = comm.ostbccombiner;awgn1rx = comm.awgnchannel(...'noisemethod', 'signal to noise ratio (eb/no)', ...'signalpower', 1);awgn2rx = clone(awgn1rx);errorcalc1 = comm.errorrate;errorcalc2 = comm.errorrate;errorcalc3 = comm.errorrate;s = rng(55408);h = zeros(frmlen, n, m);ber_nodiver = zeros(3,length(ebno));ber_alamouti = zeros(3,length(ebno));ber_maxratio = zeros(3,length(ebno));ber_thy2 = zeros(1,length(ebno));fig = figure;grid on;ax = fig.currentaxes;hold(ax,'on');ax.yscale = 'log';xlim(ax,[ebno(1), ebno(end)]);ylim(ax,[1e-4 1]);xlabel(ax,'eb/no (db)');ylabel(ax,'ber');fig.numbertitle = 'off';fig.renderer = 'zbuffer';fig.name = 'transmit vs. receive diversity';title(ax,'transmit vs. receive diversity');set(fig, 'defaultlegendautoupdate', 'off');fig.position = figposition([15 50 25 30]);for idx = 1:length(ebno)reset(errorcalc1);reset(errorcalc2);reset(errorcalc3);% set the ebno property of the awgnchannel system objectsawgn1rx.ebno = ebno(idx);awgn2rx.ebno = ebno(idx);% loop over the number of packetsfor packetidx = 1:numpackets% generate data vector per framedata = randi([0 p-1], frmlen, 1);% modulate datamoddata = bpskmod(data);% alamouti space-time block encoderencdata = ostbcenc(moddata);% create the rayleigh distributed channel response matrix% for two transmit and two receive antennash(1end, :, :) = (randn(frmlen/2, n, m) + ...1i*randn(frmlen/2, n, m))/sqrt(2);% assume held constant for 2 symbol periodsh(2end, :, :) = h(1end, :, :);% extract part of h to represent the 1x1, 2x1 and 1x2 channelsh11 = h(:,1,1);h21 = h(:,:,1)/sqrt(2);h12 = squeeze(h(:,1,:));% pass through the channelschanout11 = h11 .* moddata;chanout21 = sum(h21.* encdata, 2);chanout12 = h12 .* repmat(moddata, 1, 2);% add awgnrxsig11 = awgn1rx(chanout11);rxsig21 = awgn1rx(chanout21);rxsig12 = awgn2rx(chanout12);% alamouti space-time block combinerdecdata = ostbccomb(rxsig21, h21);% ml detector (minimum euclidean distance)demod11 = bpskdemod(rxsig11.*conj(h11));demod21 = bpskdemod(decdata);demod12 = bpskdemod(sum(rxsig12.*conj(h12), 2));% calculate and update ber for current ebno value% for uncoded 1x1 systember_nodiver(:,idx) = errorcalc1(data, demod11);% for alamouti coded 2x1 systember_alamouti(:,idx) = errorcalc2(data, demod21);% for maximal-ratio combined 1x2 systember_maxratio(:,idx) = errorcalc3(data, demod12);end % end of for loop for numpackets% calculate theoretical second-order diversity ber for current ebnober_thy2(idx) = berfading(ebno(idx), 'psk', 2, 2);% plot resultssemilogy(ax,ebno(1:idx), ber_nodiver(1,1:idx), 'r*', ...ebno(1:idx), ber_alamouti(1,1:idx), 'go', ...ebno(1:idx), ber_maxratio(1,1:idx), 'bs', ...ebno(1:idx), ber_thy2(1:idx), 'm');legend(ax,'no diversity (1tx, 1rx)', 'alamouti (2tx, 1rx)',...'maximal-ratio combining (1tx, 2rx)', ...'theoretical 2nd-order diversity');drawnow;end % end of for loop for ebno% perform curve fitting and replot the resultsfitber11 = berfit(ebno, ber_nodiver(1,:));fitber21 = berfit(ebno, ber_alamouti(1,:));fitber12 = berfit(ebno, ber_maxratio(1,:));semilogy(ax,ebno, fitber11, 'r', ebno, fitber21, 'g', ebno, fitber12, 'b');hold(ax,'off');% restore default streamrng(s); 总结
当下对mimo的主流应用主要在增加通信容量上。在专网领域，通信地形的复杂，采用mimo分集技术可以提升通信系统的通信可靠性。
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瑞利衰落和多径衰落都衰落的一种,衰落具有独立性，即只要接收距离足够大，则接收到的信号衰落不具备相关性，这就是mimo分集抗衰落的设计原则。
在信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。分集在天线设计时，都会保证各个天线之间无相关，所以天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小 。
对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。
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frmlen = 100; % frame lengthnumpackets = 1000; % number of packetsebno = 020; % eb/no varying to 20 dbn = 2; % maximum number of tx antennasm = 2; % maximum number of rx antennas% create comm.bpskmodulator and comm.bpskdemodulator system objects(tm)p = 2; % modulation orderbpskmod = comm.bpskmodulator;bpskdemod = comm.bpskdemodulator('outputdatatype','double');% create comm.ostbcencoder and comm.ostbccombiner system objectsostbcenc = comm.ostbcencoder;ostbccomb = comm.ostbccombiner;awgn1rx = comm.awgnchannel(...'noisemethod', 'signal to noise ratio (eb/no)', ...'signalpower', 1);awgn2rx = clone(awgn1rx);errorcalc1 = comm.errorrate;errorcalc2 = comm.errorrate;errorcalc3 = comm.errorrate;s = rng(55408);h = zeros(frmlen, n, m);ber_nodiver = zeros(3,length(ebno));ber_alamouti = zeros(3,length(ebno));ber_maxratio = zeros(3,length(ebno));ber_thy2 = zeros(1,length(ebno));fig = figure;grid on;ax = fig.currentaxes;hold(ax,'on');ax.yscale = 'log';xlim(ax,[ebno(1), ebno(end)]);ylim(ax,[1e-4 1]);xlabel(ax,'eb/no (db)');ylabel(ax,'ber');fig.numbertitle = 'off';fig.renderer = 'zbuffer';fig.name = 'transmit vs. receive diversity';title(ax,'transmit vs. receive diversity');set(fig, 'defaultlegendautoupdate', 'off');fig.position = figposition([15 50 25 30]);for idx = 1:length(ebno)reset(errorcalc1);reset(errorcalc2);reset(errorcalc3);% set the ebno property of the awgnchannel system objectsawgn1rx.ebno = ebno(idx);awgn2rx.ebno = ebno(idx);% loop over the number of packetsfor packetidx = 1:numpackets% generate data vector per framedata = randi([0 p-1], frmlen, 1);% modulate datamoddata = bpskmod(data);% alamouti space-time block encoderencdata = ostbcenc(moddata);% create the rayleigh distributed channel response matrix% for two transmit and two receive antennash(1end, :, :) = (randn(frmlen/2, n, m) + ...1i*randn(frmlen/2, n, m))/sqrt(2);% assume held constant for 2 symbol periodsh(2end, :, :) = h(1end, :, :);% extract part of h to represent the 1x1, 2x1 and 1x2 channelsh11 = h(:,1,1);h21 = h(:,:,1)/sqrt(2);h12 = squeeze(h(:,1,:));% pass through the channelschanout11 = h11 .* moddata;chanout21 = sum(h21.* encdata, 2);chanout12 = h12 .* repmat(moddata, 1, 2);% add awgnrxsig11 = awgn1rx(chanout11);rxsig21 = awgn1rx(chanout21);rxsig12 = awgn2rx(chanout12);% alamouti space-time block combinerdecdata = ostbccomb(rxsig21, h21);% ml detector (minimum euclidean distance)demod11 = bpskdemod(rxsig11.*conj(h11));demod21 = bpskdemod(decdata);demod12 = bpskdemod(sum(rxsig12.*conj(h12), 2));% calculate and update ber for current ebno value% for uncoded 1x1 systember_nodiver(:,idx) = errorcalc1(data, demod11);% for alamouti coded 2x1 systember_alamouti(:,idx) = errorcalc2(data, demod21);% for maximal-ratio combined 1x2 systember_maxratio(:,idx) = errorcalc3(data, demod12);end % end of for loop for numpackets% calculate theoretical second-order diversity ber for current ebnober_thy2(idx) = berfading(ebno(idx), 'psk', 2, 2);% plot resultssemilogy(ax,ebno(1:idx), ber_nodiver(1,1:idx), 'r*', ...ebno(1:idx), ber_alamouti(1,1:idx), 'go', ...ebno(1:idx), ber_maxratio(1,1:idx), 'bs', ...ebno(1:idx), ber_thy2(1:idx), 'm');legend(ax,'no diversity (1tx, 1rx)', 'alamouti (2tx, 1rx)',...'maximal-ratio combining (1tx, 2rx)', ...'theoretical 2nd-order diversity');drawnow;end % end of for loop for ebno% perform curve fitting and replot the resultsfitber11 = berfit(ebno, ber_nodiver(1,:));fitber21 = berfit(ebno, ber_alamouti(1,:));fitber12 = berfit(ebno, ber_maxratio(1,:));semilogy(ax,ebno, fitber11, 'r', ebno, fitber21, 'g', ebno, fitber12, 'b');hold(ax,'off');% restore default streamrng(s); 总结
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