本書深入淺出地論述了MIMO技術(shù)的原理和實現(xiàn)方式，對射頻傳播、空時編碼、空間復(fù)用、頻分正交在寬帶MIMO中的應(yīng)用，MIMO容量的理論公式和信道估計等主題進行深入研究，同時，詳細(xì)描述了商用Wi-Fi和移動無線通信網(wǎng)絡(luò)如何實現(xiàn)MIMO技術(shù)，幫助讀者把理論應(yīng)用到實際的無線通信系統(tǒng)中。
本書還介紹了數(shù)學(xué)矩陣和信息論中的關(guān)鍵概念，通過一步步嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茖?dǎo)，得出關(guān)鍵性結(jié)論。大量的工作案例和章末的習(xí)題都有助于加強和鞏固讀者的理解。對于從事通信行業(yè)的讀者來說，它將是一本完美介紹MIMO系統(tǒng)的書籍。
編輯推薦
●通信工程師的MIMO指南、書，業(yè)界專家、通信行業(yè)從業(yè)者誠摯推薦。
●積累30年業(yè)界經(jīng)驗的資深專家的精華之作。
●以非常清晰和簡潔的方式解釋復(fù)雜的MIMO概念。
●主題全面，逐步推導(dǎo)出公式，并給出直觀的解釋，包含案例、習(xí)題和MATLAB練習(xí)。
本書深入淺出地論述了MIMO技術(shù)的原理和實現(xiàn)方式，對射頻傳播、空時編碼、空間復(fù)用、頻分正交在寬帶MIMO中的應(yīng)用，MIMO容量的理論公式和信道估計等主題進行深入研究。通過一步步嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茖?dǎo)，得出關(guān)鍵性結(jié)論。
原書前言
本書是我過去4年在約翰斯·霍普金斯大學(xué)懷廷工程學(xué)院為專業(yè)人員工程（EP）計劃中講授MIMO無線通信的研究生課程時的產(chǎn)物。當(dāng)我在2006年春天開始講授這門課程的時候，我初以為我會簡單地從已經(jīng)收藏的MIMO通信方面的書籍中選擇一本作為教材，但當(dāng)我開始研究這些書籍時，我發(fā)現(xiàn)盡管它們在各個方面都很優(yōu)秀，但是沒有一本能如我所愿地適合一般水平的通信工程師或者低年級的電氣工程碩士研究生。這些書籍大多由在MIMO通信領(lǐng)域做出開創(chuàng)性貢獻的專家撰寫，因而要理解其中的細(xì)節(jié)，需要具備的知識水平往往要高于首次接觸MIMO的人的專業(yè)知識水平。
本書是我為了解決這個問題的一種嘗試。在講授這門課程和撰寫本書期間，我嘗試著讓一般水平的通信工程師或者低年級的電氣工程碩士研究生更容易地理解MIMO通信相關(guān)的概念和技術(shù)。我假定讀者熟悉數(shù)字通信技術(shù)，并且他們曾經(jīng)學(xué)習(xí)過數(shù)字信號處理方面的正規(guī)課程，但是，我并沒有假定讀者熟悉信息論或精通矩陣，而許多關(guān)于MIMO的文獻和書籍常常假定讀者熟悉該專業(yè)領(lǐng)域。我嘗試將一些理解MIMO概念所必需的相關(guān)主題的知識包含在書中，這樣讀者無須參考外部資源。從這個意義上說，本書是能充分滿足讀者需求的。
正如書名所示，本書介紹的是MIMO通信領(lǐng)域知識，而非百科全書。我寫本書的目標(biāo)是幫助讀者理解MIMO通信的基本概念和方法，從而為他們在該領(lǐng)域的進一步研究奠定基礎(chǔ)，并幫助他們提高對該領(lǐng)域大量文獻的理解能力。
雖然我的目標(biāo)是使一般水平的通信工程師更容易理解MIMO的概念，但我也同時努力保證書籍內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn)性。當(dāng)我開始為本書搜集資料時，初遇到的挫折是，書中的推導(dǎo)過程經(jīng)常有一些沒有解釋的大的跳躍，所以我嘗試著在我的書中盡可能地去填補這些跳躍，并將一些細(xì)節(jié)呈現(xiàn)在附錄中，以避免中斷文章的連貫性。
本書三分之一的章節(jié)介紹了如何在實際的系統(tǒng)中實現(xiàn)MIMO的概念描述，希望對讀者有用。在無線通信系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)已經(jīng)和調(diào)制、編碼糾錯技術(shù)一樣常見，因此使用MIMO方法的系統(tǒng)實例有很多。本書中，我重點關(guān)注Wi-Fi（IEEE 802.11n）和移動無線通信網(wǎng)絡(luò)，并闡釋了在實踐中這兩項技術(shù)如何實現(xiàn)MIMO概念。
第1章提供了MIMO通信概念的概述，并且介紹了關(guān)鍵矩陣的性質(zhì)和貫穿全書的公式。本章講述了不同類型的MIMO方案，定義了一些基本概念，如空間分集和空間復(fù)用技術(shù)，并提供了性能測試結(jié)果，證明了MIMO的性能優(yōu)勢。
第2章推導(dǎo)了MIMO容量公式，預(yù)測了MIMO通信系統(tǒng)可支持的無差錯數(shù)據(jù)傳輸速率。這個公式為第3章解釋多天線如何提高頻譜效率提供了概念支持。MIMO容量公式是由信息論的相關(guān)概念推導(dǎo)的，但是我并不假定讀者具備這個主題的專業(yè)背景，因此本章提供了推導(dǎo)終結(jié)果所需的一些概念。
第3章探索了MIMO容量公式的含義，并用它來計算各種假設(shè)條件下MIMO系統(tǒng)的通信容量。在本章中還研究了本征模和信道秩的概念，并且推導(dǎo)和解釋了特征波束形成的空間復(fù)用技術(shù)。
第4章討論了射頻傳播，著重研究了表征多徑傳播的術(shù)語和概念。
第5章介紹了一些基于理論與實驗結(jié)果的MIMO傳播模型，還介紹了瑞利衰落和視距傳播存在時的信道模型表達(dá)式。這些模型用來推導(dǎo)MIMO容量對天線相關(guān)性和信道散射量的依賴性的表達(dá)式。
第6章描述了一種用于實現(xiàn)發(fā)射分集的實用性MIMO技術(shù)Alamouti編碼，首先研究了理想的比接收合并的性能，然后展示了Alamouti編碼如何實現(xiàn)等同于比接收合并合并器的分集增益。
第7章拓寬了第6章開始討論的內(nèi)容，研究了其他類型的編碼技術(shù)，即空時碼，該技術(shù)可以用來實現(xiàn)發(fā)射空間分集。本章的重點是空時分組碼，但是同時也為讀者介紹了空時格碼概念，主要介紹了如何進行解碼，并且展示了典型的性能結(jié)果。
第8章介紹了空間復(fù)用，它是MIMO技術(shù)的第二大類技術(shù)應(yīng)用。這些技術(shù)利用多徑使MIMO系統(tǒng)實現(xiàn)了比傳統(tǒng)通信系統(tǒng)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。
第9章討論了寬帶信道上的MIMO技術(shù)。本書中前面章節(jié)假設(shè)了發(fā)射信號的帶寬小于信道的相干帶寬，但是在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中這種情況很少見。由于在實踐中寬帶系統(tǒng)通常使用OFDM信令進行操作，因而本章首先回顧了OFDM技術(shù)，隨后展示了如何使用OFDM和早期的窄帶MIMO技術(shù)支持寬帶服務(wù)。
第10章討論了MIMO通信的一個重要實踐方面通信信道特性的估計。由于大多數(shù)MIMO技術(shù)要求發(fā)射器或接收器（或兩者）具有信道方面的知識，因此信道估計技術(shù)對任何MIMO通信系統(tǒng)都是一個重要方面。本章討論了MIMO信道估計使用的基本概念，并且介紹了實際的MIMO系統(tǒng)如何執(zhí)行該項功能。
第11章作為本書的總結(jié)，介紹了如何在Wi-Fi和移動無線通信系統(tǒng)中實現(xiàn)MIMO技術(shù)。
后，感謝在本書的創(chuàng)作過程中給予我?guī)椭娜恕Ｊ紫�，我要感謝過去幾年中，在約翰斯·霍普金斯大學(xué)學(xué)習(xí)過我的MIMO無線通信課程的學(xué)生，他們的尖銳問題幫助我提高了課程和本書的水平，希望本書也可以幫助讀者更好地理解MIMO。
除了EP計劃中我的約翰斯·霍普金斯大學(xué)的學(xué)生，我還要感謝約翰斯·霍普金斯大學(xué)主持應(yīng)用物理實驗室的Dennis Ryan，感謝Dennis和Janney委員給予我的假期
關(guān)于作者
Jerry R.Hampton
在通信系統(tǒng)工程領(lǐng)域擁有30多年經(jīng)驗的資深研究人員、工程師，約翰?霍普金斯大學(xué)慧廷工程學(xué)院的教授，教授MIMO無線通信的研究生課程，同時也是應(yīng)用物理實驗室主要專業(yè)研究人員。
目錄
原書前言
第1章 MIMO通信概述 1
1.1 MIMO是什么 1
1.2 MIMO的歷史 3
1.3 智能天線與MIMO 5
1.4 單用戶與多用戶MIMO 5
1.5 空間分集概述 6
1.5.1 分集的概念 6
1.5.2 接收和發(fā)射分集 8
1.5.3 常規(guī)分集性能 9
1.5.4 分集階數(shù)和分集增益之間的關(guān)系 10
1.6 空間復(fù)用概述 11
1.6.1 空間復(fù)用的概念 12
1.7 開環(huán)和閉環(huán)MIMO 13
1.8 MIMO技術(shù)的實際應(yīng)用 14
1.8.1 商用MIMO的實現(xiàn) 14
1.8.2 MIMO性能的測量 15
1.9 矩陣概述 17
1.9.1 基本定義 17
1.9.2 定理和性質(zhì) 18
習(xí)題20
第2章 MIMO容量公式 23
2.1 信息是什么 23
2.2 熵 24
2.3 互信息 25
2.4 SISO容量的定義 26
2.5 MIMO容量的定義 27
2.5.1 MIMO系統(tǒng)模型 27
2.5.2 容量 28
2.6 H(z)的估計 28
2.7 H（r)的估計29
2.8 終結(jié)果 30
2.8.1 實信號 30
2.8.2 復(fù)信號 31
習(xí)題31
第3章 MIMO信道容量公式的應(yīng)用 33
3.1 CSIR假設(shè)下的MIMO信道容量 33
3.2 本征信道和信道的秩 34
3.3 信道特征值的分布 35
3.4 特征波束形成 37
3.5 特征波束形成的功率分配 39
3.5.1 注水算法 39
3.5.2 注水算法的討論 40
3.6 單模特征波束形成 41
3.7 性能比較 42
3.7.1 NrNt的結(jié)果 42
3.7.2 Nt>Nr的結(jié)果 45
3.8 SIMO和MISO信道的容量 46
3.8.1 SIMO容量 46
3.8.2 MISO容量 46
3.9 隨機信道的容量 48
3.9.1 Hw的定義 48
3.9.2 N較大時的Hw信道容量 48
3.9.3 遍歷容量 49
3.9.4 中斷容量 51
習(xí)題53
第4 章射頻傳播 55
4.1 多徑信道現(xiàn)象 55
4.2 冪律傳播 56
4.3 多徑信道的脈沖響應(yīng) 58
4.4 內(nèi)在多徑信道參數(shù) 60
4.4.1 相關(guān)參數(shù) 61
4.4.2 t相關(guān)參數(shù) 66
4.5 多徑信道類別 69
4.5.1 平坦衰落 70
4.5.2 頻率選擇性衰落 70
4.5.3 快衰落和慢衰落 72
4.6 小尺度衰落統(tǒng)計 72
4.6.1 瑞利衰落 72
4.6.2 萊斯衰落 74
習(xí)題74
第5章 MIMO信道模型 76
5.1 LOS幾何結(jié)構(gòu)的MIMO信道 76
5.2 互相關(guān)的一般信道模型 77
5.3 Kronecker信道模型 79
5.4 天線相關(guān)性對MIMO容量的影響 81
5.5 Rt和Rr在天線間距和散射角上的關(guān)系 82
5.6 針孔散射 85
5.7 可視信道模型 86
習(xí)題88
第6章 Alamouti編碼 89
6.1 比接收合并（MRRC） 89
6.2 實現(xiàn)發(fā)射分集的挑戰(zhàn) 91
6.3 21 Alamouti編碼 91
6.4 2Nr Alamouti編碼 93
6.4.1 22案例 93
6.4.2 2Nr案例 94
6.5 MRRC和Alamouti接收器中似然解調(diào) 95
6.6 性能結(jié)果 97
6.6.1 理論性能分析 97
6.6.2 Alamouti和MRRC系統(tǒng)仿真 98
6.6.3 結(jié)果 99
習(xí)題100
第7章 空時編碼 102
7.1 空時編碼介紹 102
7.1.1 STBC編碼速率定義 102
7.1.2 STBC頻譜效率 103
7.1.3 空時編碼的分類法 104
7.2 空時編碼設(shè)計準(zhǔn)則 105
7.2.1 常見成對差錯概率表達(dá)式 106
7.2.2 瑞利衰落中成對差錯概率 109
7.2.3 萊斯衰落中成對差錯概率 110
7.2.4 設(shè)計準(zhǔn)則總結(jié) 110
7.3 正交空時分組碼 113
7.3.1 實數(shù)方形OSTBC114
7.3.2 實數(shù)非方形OSTBC 114
7.3.3 復(fù)數(shù)OSTBC 116
7.3.4 OSTBC解碼 117
7.3.5 OSTBC性能仿真 119
7.3.6 OSTBC性能結(jié)果 120
7.4空時格碼 121
7.4.1 空時格碼編碼 121
7.4.2 空時格碼性能結(jié)果 123
習(xí)題125
第8章 空間復(fù)用 127
8.1 空間復(fù)用概述 127
8.2 BLAST編碼結(jié)構(gòu) 129
8.2.1 垂直分層空時碼（V-BLAST） 129
8.2.2 水平分層空時碼（H-BLAST） 130
8.2.3 對角分層空時碼（D-BLAST） 130
8.3 H-BLAST和V-BLAST多路分解方式 131
8.3.1 迫零算法（ZF） 131
8.3.2 干擾抵消迫零算法（ZF-IC） 134
8.3.3 線性小方均誤差估計（LMMSE） 137
8.3.4 干擾抵消線性小方均誤差算法（LMMSE-IC） 140
8.3.5 BLAST的結(jié)果 143
8.3.6 在信噪比較大的情況下比較ZF和LMMSE檢測147
8.4 多組空時碼（MGSTC）調(diào)制 147
8.4.1 MGSTC編碼器結(jié)構(gòu) 147
8.4.2 術(shù)語 148
8.4.3 MGSTC解碼 149
8.4.4 相關(guān)組的分集 153
8.4.5 MGSTC的性能結(jié)果 153
習(xí)題155
第9章 寬帶MIMO 156
9.1 平坦衰落和頻率選擇性衰落 156
9.2 應(yīng)對頻率選擇性衰落的方法 157
9.2.1 利用頻率選擇性衰落 157
9.2.2 對抗頻率選擇性衰落 158
9.3 傳統(tǒng)OFDM 160
9.4 MIMO OFDM 162
9.5 OFDMA 165
9.6 空頻分組碼（SFBC） 166
習(xí)題168
第10章 信道估計 169
10.1 概述 169
10.2 導(dǎo)頻分配策略 170
10.2.1 窄帶MIMO信道 170
10.2.2 寬帶MIMO信道 170
10.2.3 導(dǎo)頻間隔設(shè)計 171
10.2.4 空間導(dǎo)頻分配策略 173
10.3 窄帶MIMO信道估計 174
10.3.1 似然信道估計 174
10.3.2 小二乘信道估計 175
10.3.3 線性小方均誤差信道估計 176
10.3.4 選擇導(dǎo)頻符號 177
10.3.5 窄帶信道估計性能 178
10.4 寬帶MIMO信道估計 179
10.4.1 頻域信道估計 180
10.4.2 時頻域插值 181
習(xí)題182
第11章 MIMO實例 183
11.1 Wi-Fi 183
11.1.1 802.11n概述 183
11.1.2 802.11n數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu) 185
11.1.3 802.11n
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