4.5-多天线和空时编码解析

1、4.6 多天线和空时编码提纲nMIMO背景nMIMO综述nMIMO信道容量n空时编码机制n空间分集提高链路质量-STBC/STTCn通过空间复用提高频带利用率-LSTCn无线系统中的MIMOn3GPPnIEEE 802.11nnIEEE 802.16(-2004:WiMAX)MIMO综述n无线通信的发展趋势n未来的无线应用创造了不满足：要求无线访问具有高的数据率和高的链路质量n频谱已经稀缺而且成为昂贵的资源n带宽有限n规范，设备和系统容量的考虑决定了传输功率是有限的。n时间和频域处理是受限的，但是空间不受限MIMO多输入多输出(MIMO)基本概念nMIMO的基本理念：通过多个发射和接收天线改变

2、传输质量(BER)和数据率nMIMO的核心机制：空时编码(STC)nSTC的两个主要功能：分集&复用n最大的性能需要在分集和复用之间进行平衡MIMO技术的主要历史n空间分集n延时分集：Wittneben, 1991 (inspired); Seshadri &Winters, 1994 (first attempt to develop STC)nSTTC: Tarokh et al., 1998 (key development of STC)Alamouti scheme: Alamouti, 1998nSTBC: Tarokh et al., 1998n空间复用nFirs

3、t results hint capacity gain of MIMO: Winters, 1987nGround breaking results: Paulraj & Kailath, 1994nBLAST: Foschini, 1996nMIMO capacity analysis: Telatar 1995; Foschini 1995 & 98nSpatio-temporal vector coding for channel with multipathndelay spread: Raleigh & Cioffi, 1998四个基本模型MIMO信道容量n

4、多径V.S容量n多径传播由于产生信号衰落一直被认为是一种“伤害”n为了消除这个问题，引入了分集技术n天线分集是一种广义上的分集技术n最近的研究表明多径传播实际上对容量是有贡献的。SISO的香农界限n根据香农定理，单天线链路的信息论容量受限于链路的信噪比n每个格外的bps/Hz大约需要几倍的发射功率（从1bps/Hz到11bps/Hz，发射功率必须增加大约1000倍)n单TX天线组：MISOn一个天线组提供发射分集对抗衰落n和单天线比容量成慢的对数增长n单Rx天线组：SIMOn一个天线组提供接受分集对抗衰落n和单天线比容量成慢的对数增长n双天线组：MIMOn双天线组提供了发射和接收端的分集n和单

5、发单收比较容量成对数增长n双天线组：MIMOn双天线组提供了并行的空间信道n和单发单收比较容量成线性增长MIMO相关技术-天线选择技术MIMO相关技术-预编码MIMO相关技术-空时编码空时编码综合考虑分集、编码和调制，它的最大特点是将编码技术和天线阵技术结合在一起，实现了空分多址，提高了系统的抗衰落性能，且能通过发射分集和接收分集提供高速率、高质量的数据传输。与不使用空时编码的编码系统相比，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得较高的编码增益，进而提高了抗干扰和抗噪声的能力，特别是在无线通信系统的下行(基站到移动端)传输中，空时编码将移动端的设计负担转移到了基站，减轻了移动端的负担。目前已经有了

6、很多成熟的空时编码方案。空时编码分类空时编码技术（提高误码性能，传输速率下降） 空时分组编码分层空时编码水平分层空时编码垂直分层空时编码对角分层空时编码空时格形编码酉空时编码差分空时编码级连空时编码预编码空时技术全码率全分集技术MIMO无线信道中两个主流技术n发射和接收的分集消除多径显著改善链路质量n空间复用使频谱效率大幅度提升 通过空间分集提高链路质量 空时块编码(STBC)/空时格形码(STTC)nSTC是一种新的编码/信道处理框架，可为MIMO无线系统显著改善链路质量n对于一个输入符号序列，空时编码选择星座点在所有的天线上同时发射因此可同时获得最大的编码和分级增益空时格栅码（Space

7、time trellis codes）8PSK八状态时延分集用作空时格行码空时格栅码（Space time trellis codes） 空时格栅码可以提供最大可能的分集增益和编码增益，而不会牺牲发射带宽。然而。这种码的译码确需要使用Viterbi译码器的向量形式，当天线数目固定时，译码复杂度随着发射速率的增大呈指数增加，显然不太实用。空时块码（Space time block codes）使用空时分组编码的发射分集（Almouti空时机制）空时编码技术n空时块码（Space time block codes）2*12*212122111wshshywshshy*121212, ,TTTyy

8、yss sww w定义：则：wHsy*1*221hhhhH其中2IHHH2221|hh空时编码技术n空时块码（Space time block codes）2|*|minargsHys简化方法解码方法（ML的方法）wsyHyH二维一维2|*|minargsys 结论：正交空时码的采用，有利于降低解码的复杂度。这是因为，通过一定的线性变换，原来的二维最大似然决策问题，简化为两个一维的最大似然决策问题。分组空时编码（Group STBC）v 对于天线数目较多或者发射天线数目少于接收天线数目的情况，可以考虑使用分组的方法来减少空时编码的规模，避免使用大天线数目的空时码。v 具体的说，对于发射天线数很

9、大的情况，可以考虑将发射天线分成若干组。而对于其中的每一分组，则可以采用较小维数的空时码，如采用最简单、且性能效果不错的Alamouti机制。 分组空时编码（Group STBC）例如：对于8发4收的情况，通过分组可以使用2个4天线的空时码或者4个2天线的空时码来实现编码传输。8发4收系统中4组2天线空时编码方案 通过空间复用提供高的频谱效率-分层空时码(LSTC)n水平分层空时码（HLST）n对角分层空时码（DLST）MIMO-OFDM系统将MIMO系统与OFDM技术相结合，可以充分利用二者的优势，而又互相弥补不足之处 。 1、MIMO-OFDM系统不仅有很高的频谱利用率，而且在OFDM基础

10、上合理的开发了空间资源，可以提供更高的数据速率，提高系统容量，改善系统性能。 2、另一方面，加入了OFDM调制技术的MIMO系统在抗多径方面表现出了很大的优势，使得MIMO系统在频率选择性衰落信道中也能取作用MIMO-OFDM信道估计假设某时刻n发射的是导频数据，则频域正交的块状导频方案( ,)( ,)( ,)iiiiiY n kH n kX n kMIMO-OFDM信道估计n基于STBC的信道估计MIMO应用n未来无线标准中的MIMO应用n3GPP：MIMO-CDMAn空间分集n空间复用nIEEE 802.11nn波束成形n空间分集n空间复用nIEEE 802.16(-2004:WiMAX)

11、:MIMO-OFDMn波束成形n空间分集n空间复用3GPPn开环n时间转换的传输分集:3GPPn正交传输分集:3GPPn空时传输分集:3GPPn空时扩频：3GPP2nIST-METRA(HSDPA):3GPPnCDMA-BLAST(HSDPA):3GPPn闭环n转换传输分集（STD):3GPPn传输自适应数组(TXAA):3GPP正交发射分集采用OTD方式时，同一移动终端发送的经编码的数据分成两数据流分别用不同的天线发送。数据在编码、交织后用QPSK调制，解复用成两个数据流，两个数据流分别用两个正交的Walsh码发送，不同的发射天线采用不同的正交Pilot倍道。OTD格原始数据流分成两路并分别

12、在两个天线上传输，即每个编码后的比特只在一个天线上传输。在接收端，分别解调两个数据流，然后复用、解交织和解码。接收端必须跟踪2L个多径部分，从而恢复出两个连续的编码比特。 IEEE 802.11nnIEEE 802.11工作组n 为下一代高速无线局域网定义下一代标准n目前的IEEE 802.11标准典型的是通过它们的峰值物理数据率来进行设计的nIEEE802.11n试图改进峰值流量达到至少100Mbps，实在MAC数据服务访问点进行测量的n和目前的IEEE 802.11系统相比改善流量的4倍IEEE 802.11n的主要特点nOFDM物理层的增强n采用2*2的MIMO在20MHz带宽可达到100Mbps的流量n采用4*4MIMO可实现500+Mbpsn带宽扩展选择n信道提升双倍（40MHz) 来进一步增加数据率IEEE 802.16(-2004:WMAX)nWiMAX:Worldwide Interoperability for Microwave Access based on IEEE 802.16(-2004) 标准nIEEE 802.16：适合把有限，可持和移动的无线寻址整合在一起MIMO技术在WiMAX的应用nIEEE 8