内容简介

《MIMO无线网络手册（原书第2版）》讨论了MIMO无线网络的信道、关键技术和标准，包括多用户和多小区MIMO技术。本书特别强调了实际的信号传播机制对系统性能(MIMO容量和错误率)以及MIMO中的空时编码技术设计的影响及原因。作为原书第2版，本书更新了第1版的内容，介绍了无线通信标准MIMO方面的新进展，如LTE、LTEA和WiMAX以及在标准中讨论的一些新议题，包括CoMP、大规模MIMO、干扰对齐等。

目录

译者序
原书前言
作者简介
缩略语
运算符号表

第1章多天线通信介绍1
1.1天线阵列处理概述1
1.2多天线系统的空时无线信道 2
1.2.1离散时域表示 2
1.2.2路损和阴影3
1.2.3衰落4
1.2.4MIMO信道4
1.3在无线系统中利用多天线5
1.3.1分集技术5
1.3.2复用能力7
1.3.3干扰管理8
1.4单输入多输出系统8
1.4.1选择合并实现接收分集8
1.4.2增益合并实现接收分集9
1.4.3混合选择/增益合并实现接收分集12
1.5多输入单输出系统12
1.5.1多波束天线切换13
1.5.2匹配波束赋形实现发射分集13
1.5.3零陷和最优波束赋形14
1.5.4空时编码实现发射分集14
1.5.5间接发射分集15
1.6多输入多输出系统16
1.6.1具有完全发射信道信息的MIMO16
1.6.2无发射信道信息的MIMO18
1.6.3具有部分发射信道信息的MIMO21
1.7多链路MIMO网络：从多用户到多小区MIMO22
1.8商用无线系统中的MIMO技术22

第2章从多维传输到多链路MIMO信道24
2.1方向性信道建模25
2.1.1双方向性信道冲激响应25
2.1.2多维相关函数和平稳性29
2.1.3信道衰落统计量和K因子30
2.1.4多普勒谱和相干时间31
2.1.5功率延迟和方向谱33
2.1.6双方向性信道的互相关特性35
2.2MIMO信道矩阵35
2.2.1推导MIMO信道矩阵35
2.2.2天线和传播的联系：引入导向向量36
2.2.3有限散射体时的MIMO信道表示37
2.3MIMO信道矩阵的统计特性37
2.3.1空间相关37
2.3.2奇异值和特征值40
2.3.3Frobenius范数41
2.4多链路MIMO传播41
2.5天线阵列对MIMO信道的影响42
2.5.1理想与实际的天线阵列42
2.5.2互耦合43
2.5.3双极化天线46
2.6MIMO信道建模47
2.6.1分析表示与实际模型47
2.6.2离散MIMO信道建模：重温抽样理论47

第3章系统设计中MIMO信道的分析表示49
3.1基于传播的MIMO度量50
3.1.1模型和相关矩阵的比较50
3.1.2多径丰富程度特征的度量51
3.1.3测量MIMO信道的非平稳性53
3.1.4测量多链路MIMO信道之间的距离56
3.2窄带相关MIMO信道的单链路分析表示58
3.2.1瑞利衰落信道58
3.2.2莱斯衰落信道60
3.2.3双瑞利衰落小孔信道60
3.2.4相关瑞利动态信道61
3.3双极化信道63
3.3.1建模去极化的天线和散射63
3.3.2双极化瑞利衰落信道65
3.3.3双极化莱斯衰落信道70
3.4MIMO信道可分离的表示70
3.4.1克罗内克模型70
3.4.2虚信道的表示72
3.4.3特征波束模型74
3.4.4可分离表示方法的精度76
3.5频率选择性MIMO信道82
3.6MIMO信道的多链路分析表示83

第4章性能评估中使用的实际MIMO信道模型85
4.1电磁波模型85
4.1.1基于射线的确定性模型85
4.1.2多极化信道86
4.2基于几何的随机模型86
4.2.1单环模型87
4.2.2双环模型89
4.2.3混合椭圆环模型89
4.2.4椭圆和圆形模型91
4.2.5基于几何的模型扩展到双极化信道91
4.2.6基于几何的信道模型的克罗内克可分离性93
4.3经验信道模型95
4.3.1扩展SalehValenzuela模型95
4.3.2SUI信道模型96
4.3.3多链路场景中的阴影相关模型97
4.4标准化中的MIMO信道模型98
4.4.1IEEE802.11 TGn模型98
4.4.2IEEE802.16/WiMAX模型98
4.4.3COST259/273方向信道模型99
4.4.43GPP/3GPP2空间信道模型和WINNER100
4.4.5COST2100 多链路MIMO信道模型102
4.4.6WINNER Ⅱ多链路MIMO信道模型103

第5章单链路MIMO信道容量105
5.1引言105
5.1.1信息论的一些概念105
5.1.2系统模型106
5.2确定性MIMO信道的容量107
5.2.1容量和注水算法107
5.2.2容量界和次优的功率分配111
5.3快衰落信道的遍历容量111
5.3.1理想传输信道信息的MIMO容量112
5.3.2部分传输信道信息的MIMO容量113
5.4独立同分布瑞利快衰落信道113
5.4.1理想信道信息113
5.4.2部分传输信道信息115
5.5相关瑞利快衰落信道122
5.5.1相等功率分配的频谱效率122
5.5.2部分传输信道信息126
5.6莱斯快衰落信道129
5.6.1相等功率分配的频谱效率129
5.6.2部分传输信道信息131
5.7中断容量和概率以及在慢衰落信道中分集复用的折中131
5.7.1理想发射信道信息132
5.7.2部分传输信道信息133
5.8独立同分布瑞利慢衰落信道134
5.8.1无限SNR134
5.8.2有限SNR139
5.9相关瑞利和莱斯慢衰落信道140

第6章独立同分布瑞丽平坦衰落信道的空时编码142
6.1空时编码概述 142
6.2系统模型143
6.3基于错误率的设计

前言/序言

原书前言

当我们几位作者几年前开始构思写这本书的第1版时，已经在信号传播和信号处理领域内合作工作超过5年。本书主要讨论MIMO无线通信的传播模型和设计工具，但是，本书绝不仅仅是把传播和信号处理这两个领域简单合并，而是希望能表达我们对MIMO技术融合的理解，这些都来源于对多天线相关的许多问题无休止的争议、讨论以及和很多同事的研究。显然，这个技术涉及的领域很广泛，因此我们很难详细地讨论到所有的方面。但是，我们的目标是为研究者、研发工程师和研究生更全面地介绍多天线、多用户和多小区网络的无线传播模型和空时信号处理技术。

MIMO方面的书籍已经有很多了，但是，在实际的无线信道和网络以及实际的功率限制下，如何让MIMO更好地工作仍然是亟待解决的问题。实际上，天线尺寸和发射功率受限都会对系统设计带来一些限制。例如，依赖于理想传播模型的空时编码设计，在实际的无线信道中就不能完全发挥空时编码的优势。因此，考虑到MIMO传播的空时编码设计方法非常具有挑战。通常，传播模型是由很多简单的模型像菜谱一样组合而成，典型的简单模型包括路径损耗法则和抽头延迟线。类似的，有些人认为无线传输方案不需要考虑实际无线信道，而只需要考虑信道对接收信号的影响。换而言之，传播模型在后验测试和修改特定的设计上最有用，这是传播模型的一个重要方面，在 IEEE标准中包括这些模型，但是这并不是传播模型应用的唯一方面，尤其是考虑多天线无线系统时。无线传播不仅为MIMO相关的一些棘手问题提供了答案，也对设计高效的传输方案起着重要的作用。因此，我们深入研究了多天线和多链路传播的各个方面，自然包括但不局限于经典的设计和仿真模型。这样可以让设计者基于经典的理论基础并考虑到实际信号传播从而开发出鲁棒的信号处理方案。

本书的第2版包括了对最近MIMO信号处理技术更新的描述和更新的MIMO传播模型，不仅仅包括单用户/单小区场景(类似第1版)，还包括多用户和多小区网络。基于信息论和通信理论基础，我们着重介绍了实际的信号传播是如何影响MIMO传输方案在单用户单小区和多用户多小区部署下的吞吐量和错误性能。此外，本书还介绍了创新和实际的设计鲁棒的空时/空频码和预编码技术，以及多用户MIMO和多小区技术方面更新更详细的内容，包括信息论分析多址，广播和干扰信道，具有完全和部分信道状态信息的多用户预编码，协同和协作多小区MIMO技术，干扰对齐和大规模MIMO系统。这些技术总体构成了部署4G网络和超4G的关键技术。本书第2版的很大一部分是在目前主流的无线通信标准中MIMO的实际实现和性能评估，例如WiMAX IEEE80216e/m和3GPP LTE（R8版和R9版）和LTEA(R10版和R11版)。从第1章到最后一章，我们仔细地按照逻辑流程来组织章节内容，指出重要的理论结果并提供了很多示例。虽然我们尽量对大多数结果提供了详细和清楚的证据，读者有时还需要阅读参考文献以找到更详细的内容。

现在本书第2版的编写已经结束，我们要向下面的人表示我们诚挚的感谢。首先我们要感谢斯坦福大学的Arogyaswami JPaulraj教授把我们带入MIMO通信这个具有挑战的领域。TUWien的Ernst Bonek教授也对本书第1版的出版起着重要的作用，同时他还一如既往地支持和仔细阅读书稿。我们还要感谢Elsevier出版社的Tim Pitts、Charlotte Kent和Lisa Jones友善并高效的编辑工作。

 最后但同样重要的，我们衷心地感谢一些匿名和不匿名的审稿人和读者的认真审读并提出宝贵的意见，他们：Junil Choi, Sébastien Deru, Bertrand Devillers博士, Mischa Dohler博士, Maxime Guillaud博士, Chenxi Hao, Are Hjrungnes教授, Younsun Kim博士, Marios Kountouris教授,Harold Sneessens博士。 

伦敦帝国学院 Bruno Clerckx

天主教鲁汶大学 Claude Oestges

序言

MIMO技术从20世纪90年代末被提出后就引起了学术界和产业界的广泛关注和研究，包括贝尔实验室。经过十几年的研究和发展，它已经成为当今乃至今后很多年内的通信领域主流物理层技术，包括4G时代的LTE、LTEA/WiMAX以及未来5G时代的大规模天线阵列、3DMIMO(FDMIMO)等，这些都离不开MIMO技术。

近年来，MIMO方面的书籍林林总总，本书的主要特点在于:

1)贴近产业界，由于作者Bruno Clerckx从事LTE/LTEA和WiMAX中MIMO专题讨论多年，多项专利被标准采纳，因此很多章节都紧密联系标准。译者也都是从事3GPP LTEA标准化多年的人员，如邱海杰是3GPP CoMP议题的主要参与完成者，许方敏参与了3GPP RAN1/4从R9～R12版MIMO相关议题的讨论。

2）丰富的数学推导和验证，尤其是在信息论推导容量方面。

3）重视实际，尤其突出实际的无线传播环境、实际的信道信息获取和反馈对MIMO空时编码设计性能的影响方面。

本书的引进过程十分曲折，从2013年初在美国亚马逊网站上看到这本书的原版书