本书深入浅出地论述了MIMO技术的原理和实现方式，对射频传播、空时编码、空间复用、频分正交在宽带MIMO中的应用，MIMO容量的理论公式和信道估计等主题进行深入研究，同时，详细描述了商用Wi-Fi和移动无线通信网络如何实现MIMO技术，帮助读者把理论应用到实际的无线通信系统中。
本书还介绍了数学矩阵和信息论中的关键概念，通过一步步严谨的推导，得出关键性结论。大量的工作案例和章末的习题都有助于加强和巩固读者的理解。对于从事通信行业的读者来说，它将是一本完美介绍MIMO系统的书籍。
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本书深入浅出地论述了MIMO技术的原理和实现方式，对射频传播、空时编码、空间复用、频分正交在宽带MIMO中的应用，MIMO容量的理论公式和信道估计等主题进行深入研究。通过一步步严谨的推导，得出关键性结论。
原书前言
本书是我过去4年在约翰斯·霍普金斯大学怀廷工程学院为专业人员工程（EP）计划中讲授MIMO无线通信的研究生课程时的产物。当我在2006年春天开始讲授这门课程的时候，我初以为我会简单地从已经收藏的MIMO通信方面的书籍中选择一本作为教材，但当我开始研究这些书籍时，我发现尽管它们在各个方面都很优秀，但是没有一本能如我所愿地适合一般水平的通信工程师或者低年级的电气工程硕士研究生。这些书籍大多由在MIMO通信领域做出开创性贡献的专家撰写，因而要理解其中的细节，需要具备的知识水平往往要高于首次接触MIMO的人的专业知识水平。
本书是我为了解决这个问题的一种尝试。在讲授这门课程和撰写本书期间，我尝试着让一般水平的通信工程师或者低年级的电气工程硕士研究生更容易地理解MIMO通信相关的概念和技术。我假定读者熟悉数字通信技术，并且他们曾经学习过数字信号处理方面的正规课程，但是，我并没有假定读者熟悉信息论或精通矩阵，而许多关于MIMO的文献和书籍常常假定读者熟悉该专业领域。我尝试将一些理解MIMO概念所必需的相关主题的知识包含在书中，这样读者无须参考外部资源。从这个意义上说，本书是能充分满足读者需求的。
正如书名所示，本书介绍的是MIMO通信领域知识，而非百科全书。我写本书的目标是帮助读者理解MIMO通信的基本概念和方法，从而为他们在该领域的进一步研究奠定基础，并帮助他们提高对该领域大量文献的理解能力。
虽然我的目标是使一般水平的通信工程师更容易理解MIMO的概念，但我也同时努力保证书籍内容的严谨性。当我开始为本书搜集资料时，初遇到的挫折是，书中的推导过程经常有一些没有解释的大的跳跃，所以我尝试着在我的书中尽可能地去填补这些跳跃，并将一些细节呈现在附录中，以避免中断文章的连贯性。
本书三分之一的章节介绍了如何在实际的系统中实现MIMO的概念描述，希望对读者有用。在无线通信系统中，MIMO技术已经和调制、编码纠错技术一样常见，因此使用MIMO方法的系统实例有很多。本书中，我重点关注Wi-Fi（IEEE 802.11n）和移动无线通信网络，并阐释了在实践中这两项技术如何实现MIMO概念。
第1章提供了MIMO通信概念的概述，并且介绍了关键矩阵的性质和贯穿全书的公式。本章讲述了不同类型的MIMO方案，定义了一些基本概念，如空间分集和空间复用技术，并提供了性能测试结果，证明了MIMO的性能优势。
第2章推导了MIMO容量公式，预测了MIMO通信系统可支持的无差错数据传输速率。这个公式为第3章解释多天线如何提高频谱效率提供了概念支持。MIMO容量公式是由信息论的相关概念推导的，但是我并不假定读者具备这个主题的专业背景，因此本章提供了推导终结果所需的一些概念。
第3章探索了MIMO容量公式的含义，并用它来计算各种假设条件下MIMO系统的通信容量。在本章中还研究了本征模和信道秩的概念，并且推导和解释了特征波束形成的空间复用技术。
第4章讨论了射频传播，着重研究了表征多径传播的术语和概念。
第5章介绍了一些基于理论与实验结果的MIMO传播模型，还介绍了瑞利衰落和视距传播存在时的信道模型表达式。这些模型用来推导MIMO容量对天线相关性和信道散射量的依赖性的表达式。
第6章描述了一种用于实现发射分集的实用性MIMO技术Alamouti编码，首先研究了理想的比接收合并的性能，然后展示了Alamouti编码如何实现等同于比接收合并合并器的分集增益。
第7章拓宽了第6章开始讨论的内容，研究了其他类型的编码技术，即空时码，该技术可以用来实现发射空间分集。本章的重点是空时分组码，但是同时也为读者介绍了空时格码概念，主要介绍了如何进行解码，并且展示了典型的性能结果。
第8章介绍了空间复用，它是MIMO技术的第二大类技术应用。这些技术利用多径使MIMO系统实现了比传统通信系统更高的数据传输速率。
第9章讨论了宽带信道上的MIMO技术。本书中前面章节假设了发射信号的带宽小于信道的相干带宽，但是在现代无线通信系统中这种情况很少见。由于在实践中宽带系统通常使用OFDM信令进行操作，因而本章首先回顾了OFDM技术，随后展示了如何使用OFDM和早期的窄带MIMO技术支持宽带服务。
第10章讨论了MIMO通信的一个重要实践方面通信信道特性的估计。由于大多数MIMO技术要求发射器或接收器（或两者）具有信道方面的知识，因此信道估计技术对任何MIMO通信系统都是一个重要方面。本章讨论了MIMO信道估计使用的基本概念，并且介绍了实际的MIMO系统如何执行该项功能。
第11章作为本书的总结，介绍了如何在Wi-Fi和移动无线通信系统中实现MIMO技术。
后，感谢在本书的创作过程中给予我帮助的人。首先，我要感谢过去几年中，在约翰斯·霍普金斯大学学习过我的MIMO无线通信课程的学生，他们的尖锐问题帮助我提高了课程和本书的水平，希望本书也可以帮助读者更好地理解MIMO。
除了EP计划中我的约翰斯·霍普金斯大学的学生，我还要感谢约翰斯·霍普金斯大学主持应用物理实验室的Dennis Ryan，感谢Dennis和Janney委员给予我的假期
关于作者
Jerry R.Hampton
在通信系统工程领域拥有30多年经验的资深研究人员、工程师，约翰?霍普金斯大学慧廷工程学院的教授，教授MIMO无线通信的研究生课程，同时也是应用物理实验室主要专业研究人员。
目录
原书前言
第1章 MIMO通信概述 1
1.1 MIMO是什么 1
1.2 MIMO的历史 3
1.3 智能天线与MIMO 5
1.4 单用户与多用户MIMO 5
1.5 空间分集概述 6
1.5.1 分集的概念 6
1.5.2 接收和发射分集 8
1.5.3 常规分集性能 9
1.5.4 分集阶数和分集增益之间的关系 10
1.6 空间复用概述 11
1.6.1 空间复用的概念 12
1.7 开环和闭环MIMO 13
1.8 MIMO技术的实际应用 14
1.8.1 商用MIMO的实现 14
1.8.2 MIMO性能的测量 15
1.9 矩阵概述 17
1.9.1 基本定义 17
1.9.2 定理和性质 18
习题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容量的定义 26
2.5 MIMO容量的定义 27
2.5.1 MIMO系统模型 27
2.5.2 容量 28
2.6 H(z)的估计 28
2.7 H（r)的估计29
2.8 终结果 30
2.8.1 实信号 30
2.8.2 复信号 31
习题31
第3章 MIMO信道容量公式的应用 33
3.1 CSIR假设下的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 注水算法的讨论 40
3.6 单模特征波束形成 41
3.7 性能比较 42
3.7.1 NrNt的结果 42
3.7.2 Nt>Nr的结果 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 随机信道的容量 48
3.9.1 Hw的定义 48
3.9.2 N较大时的Hw信道容量 48
3.9.3 遍历容量 49
3.9.4 中断容量 51
习题53
第4 章射频传播 55
4.1 多径信道现象 55
4.2 幂律传播 56
4.3 多径信道的脉冲响应 58
4.4 内在多径信道参数 60
4.4.1 相关参数 61
4.4.2 t相关参数 66
4.5 多径信道类别 69
4.5.1 平坦衰落 70
4.5.2 频率选择性衰落 70
4.5.3 快衰落和慢衰落 72
4.6 小尺度衰落统计 72
4.6.1 瑞利衰落 72
4.6.2 莱斯衰落 74
习题74
第5章 MIMO信道模型 76
5.1 LOS几何结构的MIMO信道 76
5.2 互相关的一般信道模型 77
5.3 Kronecker信道模型 79
5.4 天线相关性对MIMO容量的影响 81
5.5 Rt和Rr在天线间距和散射角上的关系 82
5.6 针孔散射 85
5.7 可视信道模型 86
习题88
第6章 Alamouti编码 89
6.1 比接收合并（MRRC） 89
6.2 实现发射分集的挑战 91
6.3 21 Alamouti编码 91
6.4 2Nr Alamouti编码 93
6.4.1 22案例 93
6.4.2 2Nr案例 94
6.5 MRRC和Alamouti接收器中似然解调 95
6.6 性能结果 97
6.6.1 理论性能分析 97
6.6.2 Alamouti和MRRC系统仿真 98
6.6.3 结果 99
习题100
第7章 空时编码 102
7.1 空时编码介绍 102
7.1.1 STBC编码速率定义 102
7.1.2 STBC频谱效率 103
7.1.3 空时编码的分类法 104
7.2 空时编码设计准则 105
7.2.1 常见成对差错概率表达式 106
7.2.2 瑞利衰落中成对差错概率 109
7.2.3 莱斯衰落中成对差错概率 110
7.2.4 设计准则总结 110
7.3 正交空时分组码 113
7.3.1 实数方形OSTBC114
7.3.2 实数非方形OSTBC 114
7.3.3 复数OSTBC 116
7.3.4 OSTBC解码 117
7.3.5 OSTBC性能仿真 119
7.3.6 OSTBC性能结果 120
7.4空时格码 121
7.4.1 空时格码编码 121
7.4.2 空时格码性能结果 123
习题125
第8章 空间复用 127
8.1 空间复用概述 127
8.2 BLAST编码结构 129
8.2.1 垂直分层空时码（V-BLAST） 129
8.2.2 水平分层空时码（H-BLAST） 130
8.2.3 对角分层空时码（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 干扰抵消迫零算法（ZF-IC） 134
8.3.3 线性小方均误差估计（LMMSE） 137
8.3.4 干扰抵消线性小方均误差算法（LMMSE-IC） 140
8.3.5 BLAST的结果 143
8.3.6 在信噪比较大的情况下比较ZF和LMMSE检测147
8.4 多组空时码（MGSTC）调制 147
8.4.1 MGSTC编码器结构 147
8.4.2 术语 148
8.4.3 MGSTC解码 149
8.4.4 相关组的分集 153
8.4.5 MGSTC的性能结果 153
习题155
第9章 宽带MIMO 156
9.1 平坦衰落和频率选择性衰落 156
9.2 应对频率选择性衰落的方法 157
9.2.1 利用频率选择性衰落 157
9.2.2 对抗频率选择性衰落 158
9.3 传统OFDM 160
9.4 MIMO OFDM 162
9.5 OFDMA 165
9.6 空频分组码（SFBC） 166
习题168
第10章 信道估计 169
10.1 概述 169
10.2 导频分配策略 170
10.2.1 窄带MIMO信道 170
10.2.2 宽带MIMO信道 170
10.2.3 导频间隔设计 171
10.2.4 空间导频分配策略 173
10.3 窄带MIMO信道估计 174
10.3.1 似然信道估计 174
10.3.2 小二乘信道估计 175
10.3.3 线性小方均误差信道估计 176
10.3.4 选择导频符号 177
10.3.5 窄带信道估计性能 178
10.4 宽带MIMO信道估计 179
10.4.1 频域信道估计 180
10.4.2 时频域插值 181
习题182
第11章 MIMO实例 183
11.1 Wi-Fi 183
11.1.1 802.11n概述 183
11.1.2 802.11n数据包结构 185
11.1.3 802.11n
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