An introduction to MIMO communications (Fall 2011, Persian)

1. An Introduction to
MIMO
Language: Persian
Ali Rahmanpour, Fall 2011
Mobile Broadband Networks Research Group,
Iran University of Science & Technology
Shared with some minor edits in Spring 2016

2. ‫بخش‬‫ارایه‬ ‫اصلی‬ ‫های‬:
1-‫معرفی‬MIMO(‫مقدمات‬)
2-‫عملکرد‬ ‫چگونگی‬ ‫بررسی‬‫های‬‫سیستم‬MIMO
3-‫مراجع‬ ‫و‬ ‫منابع‬
‫خدا‬ ‫نام‬ ‫به‬

3. •‫معرفی‬MIMO(‫مقدمات‬)
•‫تر‬‫دقیق‬ ‫بررسی‬‫عملکرد‬ ‫چگونگی‬‫سیست‬‫های‬‫م‬
MIMO
•‫منابع‬‫مراجع‬ ‫و‬

4. ‫ت‬‫های‬‫کنیک‬SISO،SIMO،MISI‫و‬MIMO
MIMO = Multi Input Multi Output
SISO = Single Input Single Output
And so on …
•‫سیستم‬‫کانال‬ ‫اینجا‬ ‫در‬ ‫نظر‬ ‫مورد‬‫و‬ ‫بوده‬‫خروج‬ ‫و‬ ‫ورودی‬‫ی‬‫از‬
‫شوند‬‫می‬ ‫بیان‬ ‫آن‬ ‫منظر‬.
•‫وجود‬‫یا‬ ‫ورودی‬ ‫چند‬‫خروجی؛‬‫آنت‬ ‫چند‬ ‫از‬ ‫استفاده‬ ‫نیازمند‬‫در‬ ‫ن‬
‫فرستنده‬‫یا‬‫گیرنده‬

5. ‫رادیویی‬ ‫کانال‬
SISO
‫داده‬ ‫جریان‬
‫آنتن‬
‫های‬‫کانال‬ ‫در‬ ‫ظرفیت‬SISO
‫ظرفیت‬ ‫برای‬ ‫شانون‬ ‫مشهور‬ ‫رابطه‬:

6. ‫های‬‫کانال‬ ‫در‬ ‫ظرفیت‬SIMO‫و‬MISO
‫رادیویی‬ ‫کانال‬SIMO
Combiner
‫رادیویی‬ ‫کانال‬MISO
SIMO
MISO
‫آنتن‬
‫داده‬ ‫جریان‬

7. ‫های‬‫سیستم‬ ‫در‬ ‫ظرفیت‬MIMO!...‫؟‬

8. ‫های‬‫سیستم‬‫آنتنی‬ ‫چند‬:‫تا‬ ‫مارکونی‬ ‫از‬‫هوشمند؛‬ ‫های‬‫آنتن‬‫تا‬
MIMO!
•‫اندیشه‬‫به‬ ‫زمینه‬ ‫این‬ ‫در‬ ‫نخستین‬ ‫های‬‫های‬‫تالش‬A.R. Kaye
‫و‬D.A. George‫در‬‫سااال‬1۹۷۰‫و‬W. van Etten‫در‬
‫های‬‫سال‬1۹۷۵‫و‬1۹۷۶‫می‬ ‫بر‬ ‫میالدی‬‫گردد‬.
•Jack Winters‫و‬Jack Salz‫در‬‫های‬‫سال‬1۹۸۴‫و‬1۹۸۶‫و‬
‫های‬‫اگاه‬‫ا‬‫آزمایش‬ ‫در‬Bell‫ادین‬‫ا‬‫چن‬‫اون‬‫ا‬‫ریرام‬ ‫اه‬‫ا‬‫مقال‬‫اای‬‫ا‬‫کاربرده‬
‫دهی‬‫شکل‬‫رساندند‬ ‫چاپ‬ ‫به‬ ‫ررتو‬.
‫چندآنتنی‬ ‫های‬‫سیستم‬ ‫تاریخچه‬ ‫بر‬ ‫مروری‬
‫ردیا‬‫ویکی‬

9. •‫در‬‫سال‬1۹۹3‫مفهوم‬‫رلکس‬‫مالتی‬‫فضایی‬(Spatial
multiplexing‫یا‬‫اختصارا‬SM)‫با‬‫بهره‬‫گیری‬‫از‬‫مایمو‬‫ریشنهاد‬‫و‬
‫سپس‬‫در‬‫سال‬1۹۹۴‫ثبت‬‫اختراع‬‫شد‬.
•‫در‬‫سال‬1۹۹۶،Greg Raleigh‫و‬Gerard J. Foschini
‫ای‬‫سامانه‬‫را‬‫ریشنهاد‬‫دادند‬‫که‬‫شامل‬‫مجموعه‬‫ای‬‫از‬‫چند‬‫آنتن‬‫در‬
‫فرستنده‬‫بود‬‫و‬‫به‬‫افزایش‬‫گذردهی‬‫ها‬‫داده‬‫منجر‬‫شد‬‫می‬.
•‫نهایتا‬‫مجموعۀ‬‫آزمایشگاهی‬‫بل‬‫در‬‫سال‬1۹۹۸،‫نخستین‬‫جایی‬‫بود‬
‫که‬‫نمونۀ‬‫آزمایشگاهی‬‫رلکس‬‫مالتی‬‫فضایی‬‫را‬‫به‬‫نمایش‬‫گذاشت‬.
‫چندآنتنی‬ ‫های‬‫سیستم‬ ‫تاریخچه‬ ‫بر‬ ‫مروری‬
‫ردیا‬‫ویکی‬

10. •‫مقاله‬‫سال‬ ‫در‬ ‫شده‬ ‫چاپ‬1۹۹۸(IEEE)‫؛‬
•‫یک‬ ‫مختلف‬ ‫حاالت‬‫سیستم‬2x2‫ها‬‫آنتن‬ ‫از‬‫بررسی‬ ‫مورد‬
‫گرفته‬ ‫قرار‬‫است‬.
‫الموتی‬ ‫مقاله‬ ‫به‬ ‫گذرا‬ ‫نگاهی‬

11. ‫الموتی‬ ‫مقاله‬ ‫به‬ ‫گذرا‬ ‫نگاهی‬(‫ادامه‬)

12. ‫الموتی‬ ‫مقاله‬ ‫به‬ ‫گذرا‬ ‫نگاهی‬(‫ادامه‬)

13. ‫هوشمند‬ ‫های‬ ‫آنتن‬:(Smart Antennas)
-‫اغلب‬‫در‬‫یک‬‫طرف‬‫کانال‬‫مورد‬‫استفاده‬‫قرار‬،‫میگیرند‬‫بدی‬‫ن‬‫ترتیب‬
‫از‬‫ریچیدگی‬‫طرف‬‫دیگر‬‫نیز‬‫کاهند‬‫می‬،‫مانند‬BTS‫های‬‫هوشمند‬.
‫های‬‫سامانه‬ ‫و‬ ‫هوشمند‬ ‫های‬‫آنتن‬MIMO

14. -‫هوشمندی‬‫به‬ ‫بیشتر‬ ،‫آنها‬‫توانایی‬ ‫دلیل‬‫در‬‫شاکل‬‫دهی‬‫باه‬
‫چنا‬ ‫هر‬ ،‫کدینگ‬ ‫در‬ ‫تا‬ ‫باشد‬ ‫می‬ ‫نظر‬ ‫مورد‬ ‫فضای‬ ‫در‬ ‫امواج‬‫د‬
‫شدن‬ ‫مطرح‬ ‫با‬ ‫و‬ ‫امروزه‬space-Time code‫ها‬‫روناد‬ ‫این‬
‫تغییر‬ ‫حال‬ ‫در‬‫است‬.
-‫مزایای‬‫اصلی‬:‫ارساالی‬ ‫ماوج‬ ‫باه‬ ‫دهای‬ ‫شاکل‬(beam-
forming)‫دای‬ ‫کمک‬ ‫به‬ ‫فیدینگ‬ ‫با‬ ‫مقابله‬ ‫توانایی‬ ،‫ورسایتی‬
‫و‬ ‫فضایی‬...
‫های‬‫سامانه‬ ‫و‬ ‫هوشمند‬ ‫های‬‫آنتن‬MIMO(‫ادامه‬)

15. MIMO‫و‬Smart-Antenna
-‫مایمو‬‫از‬‫مزایای‬‫اسمارت‬‫ها‬‫آنتن‬‫بهره‬‫برد؛‬‫می‬
-‫عالوه‬‫بر‬‫آن‬‫مایمو‬‫از‬‫فیدینگ‬‫و‬‫چندمسیری‬‫نیز‬‫به‬‫عنوان‬‫یک‬‫م‬‫زیت‬
‫بهره‬‫برد‬‫می‬.‫اگرچه‬‫در‬‫ها‬‫آنتن‬‫اسمارت‬‫هم‬‫امکان‬‫مقابله‬‫با‬‫چندمسیری‬
‫وجود‬،‫دارد‬‫اما‬‫تالش‬‫شود‬‫می‬‫از‬‫آن‬‫اجتناب‬‫گشته‬‫و‬‫مسیر‬LOS‫همچنان‬
‫مسیر‬‫اصلی‬‫مطلوب‬‫است‬‫؛‬
-‫در‬،‫مایمو‬‫به‬‫جای‬‫یک‬‫بردار‬،‫کانال‬‫با‬‫یک‬‫ماتریس‬‫کانال‬‫مواجهیم‬‫؛‬
-‫در‬‫مایمو‬beam-forming‫به‬‫شکل‬‫فیزیکی‬‫گذشته‬‫مطرح‬‫با‬‫نمی‬‫شد‬.
‫توجه‬‫شود‬‫که‬‫با‬‫وجود‬‫آنچه‬‫بیان‬،‫شد‬‫امروزه‬‫اصطالح‬‫مایمو‬‫به‬‫تمامی‬‫سیستم‬‫های‬‫چندآن‬‫تنی‬‫گفته‬
‫شود؛‬‫می‬‫از‬‫این‬‫رو‬‫شاید‬‫بتوان‬‫آنتن‬‫های‬‫هوشمند‬‫را‬‫نیز‬‫نوعی‬‫تکنولوژی‬‫قدیمی‬‫مایمو‬‫د‬‫انست‬.
‫های‬‫سامانه‬ ‫و‬ ‫هوشمند‬ ‫های‬‫آنتن‬MIMO(‫ادامه‬)

16. ‫مزایا‬:
-‫مقابله‬‫با‬‫آثار‬‫منفی‬‫فیدینگ‬‫و‬‫توانایی‬‫بهبود‬BER(‫به‬‫کمک‬
Space-Time coding)‫؛‬
-‫افزایش‬‫ظرفیت‬،‫کانال‬‫نرخ‬‫بیت‬‫و‬‫بهره‬‫طیفی‬(‫به‬‫ک‬‫مک‬
Spatial Multiplexing).
‫ها‬‫چالش‬:
-‫ریچیدگی‬‫مدارات‬RF‫و‬‫همچنین‬‫الگوریتم‬‫های‬‫مورد‬‫استفاد‬‫ه؛‬
-‫لحاظ‬‫کردن‬‫فاصله‬‫مناسب‬‫بین‬‫آنتنها‬‫با‬‫توجه‬‫به‬‫ف‬‫اصله‬TX‫و‬
RX.
‫روی‬ ‫ریش‬ ‫اصلی‬ ‫های‬‫چالش‬ ‫و‬ ‫مزایا‬MIMO

17. -‫شاید‬‫بتوان‬‫یکی‬‫دیگر‬‫از‬‫دالیل‬‫اهمیت‬‫سیستم‬‫های‬MIMO
‫را‬‫کاربرد‬‫وسیع‬‫آن‬‫در‬‫های‬‫سیستم‬‫ارتباطی‬‫جدید‬‫دانست‬.‫امروزه‬
MIMO‫در‬‫استانداردهای‬‫هر‬‫دو‬‫گزینه‬‫نسل‬۴‫ارتباط‬‫سیار‬(LTE
‫و‬WiMAX)‫گنجانده‬‫شده‬‫و‬‫کاربردی‬‫شده‬‫است‬.
-‫عالوه‬‫بر‬‫این‬‫مایمو‬‫در‬‫سیستم‬‫های‬WiFi،Digital TV‫و‬...
‫نیز‬‫جای‬‫خود‬‫را‬‫باز‬‫کرده‬‫است‬‫و‬‫احتماال‬‫در‬‫آینده‬،‫نزدیک‬‫ک‬‫متر‬
‫سیستم‬‫عملی‬‫را‬‫ببینیم‬‫که‬‫از‬MIMO‫بهره‬‫نبرده‬‫باشد‬.
‫ورود‬MIMO‫آن‬ ‫عملی‬ ‫کاربردهای‬ ‫و‬ ‫استانداردها‬ ‫به‬

18. •‫معرفی‬MIMO(‫مقدمات‬)
•‫تر‬‫دقیق‬ ‫بررسی‬‫عملکرد‬ ‫چگونگی‬‫سیست‬‫های‬‫م‬
MIMO
•‫منابع‬‫مراجع‬ ‫و‬

19. ‫های‬‫سامانه‬ ‫عملکرد‬ ‫روش‬ ‫بررسی‬MIMO

20. ‫در‬‫مایمو‬‫به‬‫کمک‬،‫فیدینگ‬‫می‬‫توان‬‫برای‬‫هر‬‫آنتن‬‫یک‬‫ک‬‫انال‬
‫مجزا‬‫در‬‫نظر‬‫گرفت‬.
‫با‬ ‫تاوان‬ ‫مای‬ ،‫ترتیاب‬ ‫بدین‬‫ا‬
‫ارساال‬‫بیات‬‫اافی‬‫ا‬‫اا‬ ‫هاای‬
(redundancy)‫یااااا‬
‫اااه‬‫ا‬‫ب‬ ،‫بیشاااتر‬ ‫اطالعاااات‬
reliability‫یااااا‬ ‫بهتاااار‬
‫ی‬ ‫دست‬ ‫بیشتر‬ ‫ظرفیت‬‫افت‬.
‫های‬‫سامانه‬ ‫عملکرد‬ ‫روش‬ ‫بررسی‬MIMO(‫ادامه‬)

21. ‫در‬،‫مایمو‬‫نه‬‫تنها‬‫فیدینگ‬‫مشکلی‬‫ایجاد‬‫نمی‬،‫کند‬‫بل‬‫که‬‫یک‬
‫الزام‬‫است‬!
‫تعداد‬‫کانال‬‫های‬‫مجزایی‬‫که‬‫می‬‫توان‬‫در‬
‫نظر‬،‫گرفت‬‫برابر‬‫مینیموم‬‫تعدا‬‫آنت‬‫نها‬‫در‬
‫گیرنده‬‫و‬‫فرستنده‬‫است‬.
‫های‬‫سامانه‬ ‫عملکرد‬ ‫روش‬ ‫بررسی‬MIMO(‫ادامه‬)

22. ‫معااادالت‬‫بایااد‬ ‫حاصاال‬
‫یکدیگر‬ ‫از‬ ‫مستقل‬‫ب‬‫اشند‬.
‫های‬‫سامانه‬ ‫عملکرد‬ ‫روش‬ ‫بررسی‬MIMO(‫ادامه‬)

23. ‫هاای‬ ‫روش‬ ‫از‬ ‫یکای‬ ‫باا‬ ‫حاال‬zero forcing (ZF)‫یاا‬minimum
mean-square- error (MMSE)‫را‬ ‫ها‬‫داده‬‫آشکارسازی‬‫کنیم‬ ‫می‬.
‫های‬‫سامانه‬ ‫عملکرد‬ ‫روش‬ ‫بررسی‬MIMO(‫ادامه‬)

24. -‫بررسی‬‫در‬ ‫کانال‬MIMO‫است‬ ‫برخوردار‬ ‫اساسی‬ ‫اهمیت‬ ‫از‬.
-‫بررسی‬‫چگونگی‬‫فیدینگ‬‫و‬‫اسکترینگ‬‫در‬،‫کانال‬‫چ‬‫گونگی‬
‫مدل‬‫کردن‬‫کانال‬(،‫رایلی‬‫رایسین‬)‫و‬...‫بسیار‬‫تاثیرگذ‬‫ار‬‫خواهد‬
‫بود‬.
-‫ماتریس‬H‫در‬‫رابطه‬‫ظرفیت‬‫در‬،‫مایمو‬‫از‬‫مشخصات‬‫کانال‬‫و‬
‫شناخت‬‫آن‬‫منتج‬‫می‬‫شود‬.
‫های‬‫سامانه‬ ‫در‬ ‫ارتباطی‬ ‫کانال‬MIMO

25. ‫های‬‫سامانه‬ ‫در‬ ‫ارتباطی‬ ‫کانال‬MIMO(‫ادامه‬)

26. ‫های‬‫سامانه‬ ‫در‬ ‫ارتباطی‬ ‫کانال‬MIMO(‫ادامه‬)

27. ‫کانال‬‫در‬‫اتصال‬،‫مایمو‬‫می‬‫تواند‬‫برای‬‫فرستنده‬‫شناسایی‬‫شده‬،‫باشد‬‫یا‬‫نه‬(‫وجود‬‫یا‬‫ع‬‫دم‬‫وجود‬
‫فیدبک‬‫در‬‫سیستم‬).‫این‬‫مواوع‬‫در‬‫چگونگی‬‫ارسال‬optimum‫سیگنال‬‫اثرگذار‬‫است‬‫که‬‫در‬‫بخش‬
‫ظرفیت‬‫کانال‬‫بیشتر‬‫درباره‬‫آن‬‫بحث‬‫می‬‫کنیم‬.
‫های‬‫سامانه‬ ‫در‬ ‫ارتباطی‬ ‫کانال‬MIMO(‫ادامه‬)

28. MIMO‫و‬CDMA:‫در‬‫حقیقت‬‫می‬‫توان‬‫مایمو‬‫را‬‫نوعی‬ECDMA‫در‬‫نظر‬
‫گرفت؛‬‫با‬‫این‬‫تفاوت‬‫که‬‫در‬‫عمل‬‫برای‬‫ارسال‬‫اطالعات‬‫هیچ‬‫بیت‬‫اا‬‫ای‬‫افه‬
‫تحمیل‬‫نشده‬‫است‬.(‫البته‬‫به‬‫جز‬‫بیت‬‫های‬trial‫شناخت‬‫کانال‬)
‫های‬‫سامانه‬ ‫در‬ ‫ارتباطی‬ ‫کانال‬MIMO(‫ادامه‬)

29. ‫می‬‫توان‬‫اثبات‬‫نمود‬‫که‬‫ظرفی‬‫ت‬
،‫کانال‬‫به‬‫صورت‬‫خطی‬‫نسبت‬‫به‬
‫تعداد‬‫مسیرهای‬‫مجزا‬‫افزایش‬
‫یابد‬‫می‬.
‫ارتباطی‬ ‫های‬‫کانال‬ ‫در‬ ‫ظرفیت‬MIMO

30. ‫صورت‬‫دیگری‬‫از‬‫رابطه‬‫ظرفیت‬‫در‬،‫مایمو‬‫به‬‫کمک‬‫مقادر‬‫ویژه‬‫ماتری‬ِ‫س‬W:
‫توجه‬:
-N‫تعداد‬‫های‬‫آنتن‬،‫فرستنده‬‫و‬M‫تعداد‬‫های‬‫آنتن‬‫گیرنده‬‫است‬.
-‫مقدار‬‫ویژه‬‫یک‬‫ماتریس‬(A−λI)v = 0‫را‬‫نتیجه‬‫می‬‫دهد‬.
‫ارتباطی‬ ‫های‬‫کانال‬ ‫در‬ ‫ظرفیت‬MIMO(‫ادامه‬)

31. ‫مقایسه‬‫در‬ ‫کانال‬ ‫ظرفیت‬‫مختلف‬ ‫های‬‫حالت‬:
‫ارتباطی‬ ‫های‬‫کانال‬ ‫در‬ ‫ظرفیت‬MIMO(‫ادامه‬)

32. ‫بررسی‬‫شناخته‬‫یا‬‫ناشناخته‬‫بودن‬‫کانال‬‫برای‬‫فرس‬‫تنده‬:
‫بسته‬‫به‬‫اینکه‬‫در‬‫سیستم‬‫مخابراتی‬‫فیدبک‬‫وجود‬‫داشته‬‫باش‬‫د‬‫یا‬،‫نه‬‫ممکن‬
‫است‬‫کانال‬‫برای‬‫فرستنده‬‫شناخته‬‫یا‬‫ناشناخته‬‫باشد‬.‫طبیعت‬‫ا‬‫این‬‫مواوع‬
‫موجب‬‫ایجاد‬‫تفاوت‬‫هایی‬‫در‬‫نوع‬‫نگاه‬‫ما‬‫به‬‫طراحی‬‫سیستم‬‫خواهد‬‫ش‬‫د‬.
‫برای‬‫مثال‬‫می‬‫توان‬‫نگاهی‬‫به‬‫چگونگی‬‫تغییرات‬‫بهره‬‫نسبی‬‫ظ‬‫رفیت‬
(Relative Capacity Gain)‫با‬‫تغییرات‬SNR‫انداخت‬.(‫اسالید‬‫بعد‬)
‫ارتباطی‬ ‫های‬‫کانال‬ ‫در‬ ‫ظرفیت‬MIMO(‫ادامه‬)

33. ‫شناختن‬،‫کانال‬‫موجب‬‫بدست‬‫آمدن‬‫بهره‬‫آرایه‬‫می‬‫گرد‬‫د‬(‫در‬
‫ماتریس‬Q)،‫که‬‫در‬‫حالت‬‫بی‬‫اطالعی‬‫این‬‫بهره‬‫را‬‫نداشت‬‫یم‬.
‫اما‬‫درباره‬‫سایر‬‫بهره‬‫ها‬(‫مثل‬‫دایورسیتی‬‫یا‬‫مالتی‬
‫رلکسینگ‬)،‫تفاوتی‬‫میان‬‫شناخته‬‫یا‬‫ناشناخته‬‫ب‬‫ودن‬‫کانال‬
‫نیست‬.
‫ارتباطی‬ ‫های‬‫کانال‬ ‫در‬ ‫ظرفیت‬MIMO(‫ادامه‬)

34. ‫بندی‬‫جمع‬

35. ‫بندی‬‫جمع‬
‫یکی‬‫از‬‫نکات‬‫کلیدی‬‫و‬‫بسیار‬‫مهم‬‫در‬‫های‬‫سیستم‬MIMO،‫نسبت‬Spatial
Multiplexing(‫افزایش‬‫ظرفیت‬)‫و‬Spatial Diversity(‫افزایش‬
reliability)‫در‬‫این‬‫ها‬‫سامانه‬‫و‬trade off‫میان‬‫آن‬‫دو‬‫است‬.‫انتخاب‬‫میان‬
‫این‬‫دو‬‫نیز‬‫بسته‬‫به‬‫کاربرد‬‫و‬‫همچنین‬‫شرایط‬‫کانال‬‫مورد‬‫نظر‬‫دارد‬.

36. •‫معرفی‬MIMO(‫مقدمات‬)
•‫تر‬‫دقیق‬ ‫بررسی‬‫عملکرد‬ ‫چگونگی‬‫سیست‬‫های‬‫م‬
MIMO
•‫منابع‬‫مراجع‬ ‫و‬

37. Some References:
•David Gesbert & Others, “from theory to practice: an overview of MIMO
space-time coded wireless systems”, IEEE journals, 2003.
•Alain Sibille, Claude Oestges and Alberto Zanella, “MIMO, from theory to
implementaion”, Academic press, 2011.
•David Tse and Pramod Viswanath, “fundamentals of Wireless
Communication”, Cambridge University press, 2005.
•Andrea Goldsmith, “Wireless Communication”, Cambridge University press,
2005.
•Volker Kuhn, “Wireless Communications over MIMO channels”, John Wiley
& Sons, 2006.
•Ayman F. Naguib, Vahid Tarokh, Nambi Seshadri and A. R. Calderbank,
“Space–time coding and signal processing for high data rate wireless
communications”, AT&T Labs.
•Dr. Jacob Sharony, “Introduction to Wireless MIMO – Theory and
Applications”, Center of Excellence in Wireless and Information Technology.
• And several other tutorials, presentations and books.

38. The End
Thanks for listening
Questions?