空时编码新技术讲座

1、MIMO及其空时编码技术及其空时编码技术授课教师：王惠琴介绍内容：nMIMO技术及其信道模型nMIMO的信道容量nSTBC编码nBLAST空时结构n混合空时编码1 MIMO技术技术1.1 传统无线通信方式的缺点：传统无线通信方式的缺点： 通信业务的增多和用户数量的增加，要求提高系统的传输速度； 无线信道中存在衰落，严重影响通信的质量，要求提高系统的可靠性； 无线资源有限，尤其是频谱资源变得越来越紧张； 功率过高产生较大的辐射，对人体有害。1.2 MIMO技术技术 研究表明，使用多天线的MIMO技术能够充分利用空间资源，在不额外增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，可有效对抗无线信道衰落的影响，

2、大大提高系统的频谱利用率和信道容量，是实现高速数据传输的优选技术之一。 BELL实验室的公布结果：采用8天线系统对角分层空时编码时，系统可获和42bps/Hz的频谱利用率，是单天线系统收发系统的40多倍。1 MIMO技术技术 MIMO系统在无线通信系统的发送端和接收端都安置多个天线元素，其简化框图如图1.1所示。可见，MIMO技术的出发点是将发送天线与接收天线相结合以改善每个用户的通信质量（如差错率)或者通信效率（如数据速率)。1.2.1 MIMO技术的概念技术的概念 1.2.2 MIMO系统的结构系统的结构 图1.2 MIMO系统的结构1、分集原理 分集技术是无线通信系统中为对抗各种衰落、提

3、高传输性能的一项基本技术。 其基本原理是：将接收到的多个不相关的信号（时间、频率或空间）的能量（其强度也具有可比性）按一定规则合并起来，使得组合后得到的有用信号能量最大化。 对数字系统而言，使接收端的误码率最小；对模拟系统而言，提高接收端的信噪比。 分集接收的实质就是在接收端如何将得到的这些不相关的信号副本进行组合。 1.3 MIMO技术中的几个概念技术中的几个概念2、合并准则 常用的合并方法有：n选择性合并：接收机对多个接收分支一直进行扫描，从中选择信噪比最大的一条支路作为输出。n等增益合并：n最大比合并：在信号合并之前，需要对多个接收分支进行加权，其加权系数正比于每一支路各自的接收信噪比。

4、 1.3 MIMO技术中的几个概念技术中的几个概念 MIMO系统的核心思想是空时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过使用多副天线来增加空间维，从而实现多维信号处理，获得空间复用增益或空间分集增益。 信道容量信道容量 Bell实验室的学者分别对高斯噪声下的MIMO系统信道容量进行了研究。结果表明：在假设个天线独立的情况下，MIMO系统比单天线系统有显著的提高，有时可提高40多倍 ； 空间复用提高频谱利用率空间复用提高频谱利用率 MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理，在丰富的散射环境下，空分复用MIMO系统(如BLAST结构)可以获得与天线数成正比的容量增长，从而极大地提高频谱效率，增加系统

5、的数据传输速率 ； 1.4 MIMO系统的主要特征系统的主要特征利用发送分集提高系统的传输性能利用发送分集提高系统的传输性能 它可以将多径作为一个有利因素加以利用。研究结果表明，MIMO系统能利用多副天线所带来的多条传输路径来获得空间分集增益，从而提高系统传输性能。基于发送分集的空时编码技术就属于这种系统。 空间复用和发送分集的折中空间复用和发送分集的折中 空间复用技术通过增加系统的自由度，追求的是频谱效率的极大化，但却并不适用于低信噪比的环境；发送分集技术追求的是分集增益的极大化，却有可能会导致速率的损失。 1.4 MIMO系统的主要特征系统的主要特征1. 5 当前研究进展当前研究进展 一方

6、面，由于MIMO技术具有很多诱人的优点，所以它一经提出就得到了广泛的关注。另一方面，由于MIMO系统是一个时变、非平稳多输入多输出系统，故目前对它的研究可谓方兴未艾，对其基本理论、关镀技术的研究正在全面展开，主要集中在：MIMO系系统中的发送分集和空间复用、波束成形、空时编码、统中的发送分集和空间复用、波束成形、空时编码、空时弥散码、定时向步、信道估计、自适应编码调制空时弥散码、定时向步、信道估计、自适应编码调制以及多用户以及多用户MIMO系统系统，以及MIMO-OFDM系统等等。 2 MIMO系统的信道模型系统的信道模型2.1 RF信道模型信道模型 )()()(ttHxtyNMMMNNhhh

7、hhhhhhH,2,1 ,22,21 ,2, 12, 11 , 1.无线通信的信道模型其中：输入信号矩阵为： TNtxtxtxtx)(),.,(),()(21输出信号矩阵为： TMtytytyty)(),.,(),()(21噪声矩阵为： TMtttt)(),.,(),()(21信道衰减系数为： 2.2 MIMO系统的信道容量系统的信道容量 2.2.1 信道系数确定时的信道系数确定时的MIMO系统的容量系统的容量 根据信息论，可定义MIMO信道的容量为：其中， ： 是矢量 的概率密度函数 ； ： 是矢量 和 之间的互信息量；其中， 和 分别是接收信号矢量和噪声矢量的熵； ：是在给定 的条件下收到

8、 的条件熵。 );(max)(yxICxp)(xp);( yxIxyx)()()()();(HyHxyHyHyxI)(yH)(H)( xyHxy则互信息量为：)(detlog);(*02HHRNNEIyxIxxsMxxRx其中， 为发送信号矩阵 的协方差矩阵； 为发送天线上的总功率。 sE可得MIMO系统的信道容量为： )(detlogmax);(max*02)(,)(,HHRNNEIyxICxxsMNRtrRNRtrRxxxxxxxx该式的信道容量C为MIMO系统链路无差错传输的频谱效率或者单位带宽上的数据速率。若给定的带宽为B赫兹，则MIMO系统的最大传输速率就为每秒BC比特。 H矩阵的奇

9、异值分解：其中， 和 都是酉矩阵； 为对角矩阵： 是 的正特征值， 因此，MIMO信道可以等效为由矩阵 的特征值表征的特征信道 。 VUHUV)0 , 0 ,(21mdiagm,1 HHW,minMNm W 发送端已知信道发送端已知信道CSI的情形的情形信道容量可以化简为其中， 考虑到 和 为半正定矩阵，采用注水分布原则来分配发送功率，则系统的信道容量为： 为非零的 的正特征根数目，有 ； 为“水平线 “。 )det(logmax02)(,NDICMEDtrDsVRVNEDxxsxxRD)(log012NCimimxxRmm 发送端未已知信道发送端未已知信道CSI的情形的情形 由于发送端很难得

10、到有关信道的知识，在分析信道容量时，此时只能选择发送信号的互协方差矩阵为 ，即在每副发送天线上发送等功率、不相关的信号，此时能最大化互信息量的输入信号是高斯分布，则其信道容量可化简为： 考虑酉矩阵及行列式的性质，可得信道容量为：NxxIR)(detlog*02HHNNEICsM)1 (log012NNECismi 几种特殊情形几种特殊情形 SISO系统： SIMO系统： 采用最大比合并： 选择性合并： MISO系统： MIMO系统：（正交并行信道）)1 (log202hNECs)1 (log21102jMjshNEC)max1 (log2102jjshNEC)1 (log21102iNishN

11、NEC)1 (log02NNENCs历经信道容量与信噪比间关系N=M 2.2.2 信道系数随机时的信道系数随机时的MIMO系统的容量系统的容量 平均信道容量： 中断信道容量 ： 定义定义：如果系统的信道容量小于某一固定值 的概率为一个较小的数值 ，即有则称 为中断概率，称 为中断容量。)(CECavgoutCoutCoutPoutroutPP CCoutCoutP中断信道容量与信噪比间关系中断概率为10%，N=M结论：结论：当发送天线数一定时，信道容量随着接收天线数的增加而增加；当接收天线数一定时，信道容量随着发送天线数的增加而增加，但增加的幅度要小一些，即存在“地板效应”。246810468

12、101214信道容量(Hz*bit/s)天线数n(个) 信噪比SNR=15dB 发 天 线 数 -1 收 天 线 数-1 收 发 天 线 数 相 等信噪比一定时，信道容量与天线数量间的关系3 空时编码空时编码n空时编码技术：空时编码技术： 空时分组码：（利用正交性） 空时分层编码： 空时格形码：（发射分集和网格码结合） 差分/酉空时编码： 空频码 ： 3.1 空时分组码：空时分组码： Alamouti提出了两个发射天线的空时分组码。其性能、结构简单，可实现满速率、满分集。 3.3.1 编码原理：编码原理：STBC的发送原理 3.3.1 STBC编码原理：编码原理：二进制信号经星座映射后得到调制

13、符号 ，再经STBC编码后得到码子矩阵为：*12*21xxxxX,21xx码字矩阵满足的关系： （正交性）12120TXXx xx x3.1.2 STBC译码原理译码原理图 Alamouti空时码的接收机接收天线在时刻t和t+T的接收信号分别为r1、r2,有 采用极大似然译码，即从星座中找出一对符号 ，使下式的欧式距离最小：2*12*212122111)(xhxhrxhxhr),(21xxmin),(),(122122221112xhxhrdxhxhrd接收端得到合并后的信号为1212222121122221112221221112)()()()(hhxhhrhrhxhhxhhrhrhx3.1

14、.3 正交空时分组码正交空时分组码 为了将空时分组码推广到多个天线，通常有着两种思路： 一种：是vapid Tarokh等人基于满分集提出了正交空时分组码; 另一种：是H.Jafarkhani等基于满传输率提出了准正交空时分组码。3.1.3 正交空时分组码正交空时分组码 实信号的空时分组码设计：MIMO系统的编码矩阵码率：单位时间片内平均发送的调制符号的个数。1PKR2N4N12221xxXxx结论： 码率为1，频谱效率为m ; 没有带宽损失。即在获得最大分集增益的同时可以获得m 的频谱效率； 由于各天线上发送的信号是相互正交的，这使得接收端的极大似然译码算法容易实现，进行简单的线性处理即可。

15、HZbps/HZbps/8N1R5N基于方阵的实正交码设计困难，可推广到非方阵：1R3N1R6N7N1R 复信号的空时分组码设计：复信号的空时分组码设计：3N4N21R21R瑞利衰落，16QAM调制，不同合并准则下的误码率曲线（慢衰落）1x2 和2x1系统的斜率相同，2x2 和1x4系统的斜率相同，说明具有相同的分集增益。接收天线数为1时，瑞利衰落下的误码率曲线4 BLAST分层空时码分层空时码4.1分层空时码的模型分层空时码的模型4.2 分层空时码的分类：分层空时码的分类：按发送端分路的不同方式可分为： 水平分层空时编码（VBLAST coding）； 垂直分层空时编码（HBLAST cod

16、ing）； 对角空时分层编码（DBLAST coding）；4.2 分层空时码的编码原理分层空时码的编码原理对角空时分层码对角空时分层码三种码的特点：n对角分层空时码：具有较好的空时特性和层次结构，它是可以达到MIMO系统理论容量的一种空时复用方案，但具 有的 传输冗余，且由于其编码与译码都比较复杂，故在实际应用中并不多见。n水平分层空时码：编码虽然容易实现，但由于空时特性最差也很少使用。n垂直分层空时码：其空时特性及其层次结构较对角分层空时编码要差一些，但没有传输冗余，且由于垂直分层空时码结构简单，故在实际中应用较多。bitNN2)1(4.3 分层空时码的译码分层空时码的译码 最大似然译码算

17、法（ML）： 线性译码算法：n迫零算法：n最小均方误差译码算法：4.3 分层空时码的译码（算法）分层空时码的译码（算法）2minargHXrXGrx HHHHHG1)(rHINHHGrxHMH10)( 非线性译码算法n不排序的串行干扰消除： 首先从接收向量中检测出某一天线发送数据的对应分量.再从接收向量中消去其影响.然后继续依次检测剩余的分量。每个分量被检测出后.便用于消除其对剩下的信号的影响。n排序的串行干扰消除： 按照信噪比的大小进行排序，首先检测出信噪比最大的一路信号，再从接收向量中消去其影响.然后再次按信噪比的大小进行排序，继续依次检测剩余的分量。 依据不同的线性检测方法.可以分为ZF

18、 SIC和 MMSE SIC。n并行干扰抵消（PIC）： 首先进行初始判决，得到初值；再消除干扰的影响 ，进行判决。n球形解码(Sphere-Decode)： 和最大似然译码有相似的性能，但算法简单。当发送信息符号向量是等概率时，它等价于求解如下的代价函数问题， n迭代译码算法： 非线性译码算法2minargHxrxxML译码算法的误码性能译码算法的误码性能瑞利衰落下，4QAM调制，M=4误码率曲线瑞利衰落下，16QAM调制，M=4误码率曲线5 STBC+BLAST的混合空时编码nBLAST码的优点：复用增益高，能够获得极高的频谱效率；nBLAST码的缺点是：误码率大，译码算法复杂；nSTBC码的优点：分集增益大，误码率较小；nSTBC码的缺点：损失了复用增益，系统的传输速率较低。5 STBC+BLAST的混合空时编码5 STBC+BLAST的混合空时编码不