移动通信原理第12次课-第11章MIMO空时处理技术)

1、第第11章章 MIMO空时处理技术空时处理技术 MIMO（Multi-input Multi-output ）多输入多输出多输入多输出是一种多天线无线通信是一种多天线无线通信技术技术，它它利用多个发射利用多个发射/接接收收天线各自独立天线各自独立发射发射/接收接收信号。该技术最早由马信号。该技术最早由马可尼于可尼于1908年提出，年提出，当时当时他他是是利用多天线来利用多天线来克服多克服多路径路径衰落。衰落。 上世纪上世纪90年代中期，随着移动通信爆发式增长，年代中期，随着移动通信爆发式增长，对于无线链路传输速率提出了越来越高的要求。对于无线链路传输速率提出了越来越高的要求。传统的时频域信号设

2、计很难满足这些需求，通信传统的时频域信号设计很难满足这些需求，通信专家专家对多天线对多天线空时处理技术展开了深入的研究空时处理技术展开了深入的研究，希望希望发明一种发明一种能指向接收者能指向接收者的的波束成型技术，波束成型技术，即即所谓智能天线，一种能使波束聪明地追踪接收者所谓智能天线，一种能使波束聪明地追踪接收者（移动终端）的技术，以便利用有限的频率和发（移动终端）的技术，以便利用有限的频率和发射时间传输更多的信息。射时间传输更多的信息。如同有人如同有人用用手电筒射出手电筒射出的光束追踪在黑暗中移动的的光束追踪在黑暗中移动的一个目标一个目标一样。一样。 波束成型技术波束成型技术面临的最大挑战

3、面临的最大挑战是在都市环境中，是在都市环境中，信号信号波束遭遇到波束遭遇到建筑物建筑物和和移动车辆等目标移动车辆等目标时极时极容容易易发散发散，波束的集中特性，波束的集中特性被破坏被破坏，信号，信号受到大幅受到大幅衰减，抗衰减，抗干扰干扰能力降低。能力降低。 这项挑战这项挑战随着随着MIMO空时处理空时处理技术在技术在1990年代末的年代末的发展，而发展，而得到解决得到解决。MIMO天线间距通常大于发送天线间距通常大于发送信号波长，以确保信号波长，以确保MIMO子信道子信道间的低间的低相关相关性性和和高高分集阶数（分集阶数（diversity order）。）。MIMO利用多径利用多径信道信道

4、提高提高数据数据速率、增加速率、增加传送距离传送距离和和减少比特错误率。减少比特错误率。 MIMO特别适合于特别适合于平坦衰落信道，平坦衰落信道，MIMO多与多与OFDM结合为复合技术。结合为复合技术。MIMO-OFDM被被IEEE 802.16和和IEEE 802.11n 标准采用。标准采用。3G的的WCDMA、cdma2000和和TD-SCDMA标准标准也采用了也采用了MIMO技术。技术。除除MIMO外，根据收发天线数量，还有外，根据收发天线数量，还有SISO(Single-Input Single-Output)单输入单输出单输入单输出；SIMO（Single-Input Multi-O

5、utput）单输入多输单输入多输出出和和MISO（Multiple-Input Single-Output）多输多输入单输出等技术入单输出等技术。MIMO的的突出特点是在突出特点是在不需要增加带宽或总不需要增加带宽或总发射发射功率功率的的情况下情况下，利用多利用多副副发射天线发射天线和多副和多副接收接收天线提供天线提供的多维的多维空间有效提升无线通信系统空间有效提升无线通信系统的的频谱频谱利用率和利用率和传送距离，传送距离，实现实现提升传输速率提升传输速率和和改善通信质量改善通信质量的目标的目标。lMIMO包括以下技术：包括以下技术：1)空空间间复用（复用（spatial multiplexi

6、ng）：）：MIMO在不增加在不增加带宽的条件下，相比带宽的条件下，相比SISO系统系统可以可以成倍地提升信息成倍地提升信息传输速率，从而极大地提高频谱利用率。在发射端，传输速率，从而极大地提高频谱利用率。在发射端，高速率的数据流被分为多个较低速率的子数据流，高速率的数据流被分为多个较低速率的子数据流，各各子数据流在不同的发射天线上子数据流在不同的发射天线上同时以同时以相同相同频率频率发发射出去。发射端天线阵列射出去。发射端天线阵列为各子数据流在空间形成为各子数据流在空间形成一个独立的不与其它子波束相互混叠的子波束一个独立的不与其它子波束相互混叠的子波束，一一副接收天线只被一个子波束覆盖。这就

7、避免了各子副接收天线只被一个子波束覆盖。这就避免了各子波束之间的同频率干扰。波束之间的同频率干扰。空间复用技术在高信噪比空间复用技术在高信噪比条件下能够极大提高信道容量，并且能够在条件下能够极大提高信道容量，并且能够在“开环开环” 条件下使用。条件下使用。贝尔实验室贝尔实验室的的“贝尔实验室分层空时贝尔实验室分层空时”(V-BLAST)是是典型的空间复用技术。典型的空间复用技术。2)空间分集（空间分集（spatial diversity）：）：空间分集以空时分组码空间分集以空时分组码(STBC)和空时格码和空时格码(STTC)为代表。自从为代表。自从Alamouti提出两天线正交空提出两天线正

8、交空时码以来，立即引起了研究者的注意。时码以来，立即引起了研究者的注意。Tarokh等人将其推广等人将其推广到多天线情形。由于正交发分集技术编译码算法简单，且能到多天线情形。由于正交发分集技术编译码算法简单，且能够获得分集增益，已经在够获得分集增益，已经在3G移动通信系统中得到广发应用。移动通信系统中得到广发应用。空时格码是将信道编码和多天线系统做联合优化，在天线数空时格码是将信道编码和多天线系统做联合优化，在天线数目较小的条件下就可以获得相当大的编码增益。目较小的条件下就可以获得相当大的编码增益。3)空时空时预编码（预编码（Space-time precoding）:以以波束成型波束成型和有

9、限反馈和有限反馈技术为代表。智能天线是波束成型技术的典型代表，技术为代表。智能天线是波束成型技术的典型代表，由多天由多天线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在欲传输的方向，线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在欲传输的方向，抑制抑制用户间的用户间的和小区间的干扰，提高和小区间的干扰，提高信号质量，增加信号质量，增加系统容系统容量量。已经在已经在TD-SCDMA系统得到应用。有限反馈技术能够灵系统得到应用。有限反馈技术能够灵活地与前两种技术结合，基于接收端反馈的量化信道响应信活地与前两种技术结合，基于接收端反馈的量化信道响应信息，通过预编码码本选择，提高系统容量，简化接收机结构，息，通过预编

10、码码本选择，提高系统容量，简化接收机结构，抑制小区间干扰。有限反馈技术已经广泛应用于抑制小区间干扰。有限反馈技术已经广泛应用于LTE、WiMax等等BEG移动通信系统中移动通信系统中 。 以上以上MIMO技术技术在提高频谱利用率、降低传输差错率方面够在提高频谱利用率、降低传输差错率方面够侧重，侧重，可以相互配合应用可以相互配合应用。例如，。例如，一个一个MIMO系统可以包含系统可以包含空空间间复用和复用和空间空间分集分集两种两种技术。技术。11.1.2 MIMO11.1.2 MIMO系统信道容量系统信道容量图图11.2是是MIMO系统原理图。这个点到点系统原理图。这个点到点MIMO系统具有系统

11、具有nT个发射天线，个发射天线，nR个接收天线。个接收天线。 设系统发射总功率为设系统发射总功率为P，有，有nT副发射天线，每副发射天线，每副天线的发射功率为副天线的发射功率为P/nT，每副发射天线的噪，每副发射天线的噪声功率为声功率为s s2 2，利用香农信道容量公式，可得，利用香农信道容量公式，可得MIMO系统的信道容量为：系统的信道容量为： 其中其中，l li是第是第i个子信道的增益；个子信道的增益；W W是每个子信是每个子信道带宽。道带宽。221221log1log1riiTriiTPCWnPWnlsls 11.6 MIMO11.6 MIMO技术在宽带移动通信系统中的应用技术在宽带移动

12、通信系统中的应用 第第8 8章介绍了空间接收分集，它是克服平坦衰落最为有章介绍了空间接收分集，它是克服平坦衰落最为有效的方法。效的方法。 根据线性系统互易原理，在一个线性系统中，分集的根据线性系统互易原理，在一个线性系统中，分集的位置是可以互易的，可根据实际需要，将分集放在接位置是可以互易的，可根据实际需要，将分集放在接收端，称为分集接收，也可以放在发送端，称为分集收端，称为分集接收，也可以放在发送端，称为分集发送发送( (发送分集发送分集) )。 不过，在移动通信的下行不过，在移动通信的下行( (前向前向) )链路中，由于移动台，链路中，由于移动台，特别是手机严重受到体积、电池容量和价格限制

13、，不特别是手机严重受到体积、电池容量和价格限制，不允许手机采用分集接收，必须采用分集发送。允许手机采用分集接收，必须采用分集发送。 值得注意的是，实际的移动信通信道是一个复杂的时值得注意的是，实际的移动信通信道是一个复杂的时变信道，并不完全遵从严格的线性规律，只能算是近变信道，并不完全遵从严格的线性规律，只能算是近似的线性时变系统。互易原理对移动信道来说只是近似的线性时变系统。互易原理对移动信道来说只是近似适用，实际的发送分集效果并不如接收分集效果好。似适用，实际的发送分集效果并不如接收分集效果好。尽管如此，由于移动终端的局限性，我们还是必须根尽管如此，由于移动终端的局限性，我们还是必须根据互

14、易原理，放弃接收分集而采用发射分集。据互易原理，放弃接收分集而采用发射分集。11.6.1 发送分集分类发送分集分类根据是否需要在发送与接收之间建立反馈回路，根据是否需要在发送与接收之间建立反馈回路，提供发送信道（下行信道或正向信道）实时状提供发送信道（下行信道或正向信道）实时状态信息，可将发送分集划分为开环与闭环两大态信息，可将发送分集划分为开环与闭环两大类型。类型。1.开环发送分集开环发送分集不需要在发送与接收之间建立反馈回路，提供不需要在发送与接收之间建立反馈回路，提供发送信道实时状态信息。基站利用接入期间收发送信道实时状态信息。基站利用接入期间收到的移动终端功率估算出发送信道的传输损耗到

15、的移动终端功率估算出发送信道的传输损耗变化方向，调节各发送信道的发射功率。变化方向，调节各发送信道的发射功率。 现有的发送分集有空时发送分集现有的发送分集有空时发送分集STTD(Space-Time Transmit Diversity)、正交发送分集、正交发送分集OTD(Orthogonal Transmit Diversity)、空时扩频、空时扩频STS(Space-Time Spreading)发送分集、时间切换发送分集发送分集、时间切换发送分集TSTD(Time-Switch Transmit Diversity)、延时发送分、延时发送分集集DTD(Delay Transmit Div

16、ersity)等等。等等。 2.闭环发送分集闭环发送分集 闭环发送分集，需要在发送与接收之间建立反馈闭环发送分集，需要在发送与接收之间建立反馈回路，并利用这一反馈回路传送发送信道实时状回路，并利用这一反馈回路传送发送信道实时状态信息。通常是基站在下行链路信号中周期性地态信息。通常是基站在下行链路信号中周期性地加入训练序列，移动终端根据接收到的训练序列加入训练序列，移动终端根据接收到的训练序列检测出下行链路的实时状态信息，然后通过反馈检测出下行链路的实时状态信息，然后通过反馈回路反馈回基站。基站根据信道状态的反馈信息回路反馈回基站。基站根据信道状态的反馈信息调节相关发射天线的加权增益系数，实现最

17、合理调节相关发射天线的加权增益系数，实现最合理的发送分集。的发送分集。12 闭环发送分集的一般性原理结构如图闭环发送分集的一般性原理结构如图11.25所示。所示。闭环分集较开环分集复杂，但是分集效果较好。典闭环分集较开环分集复杂，但是分集效果较好。典型的闭环发送分集技术有：选择发送分集型的闭环发送分集技术有：选择发送分集STD和发和发送自适应阵列送自适应阵列TXAA( Transmit Adaptive Array)等。等。1311.6.2 发送分集在发送分集在WCDMA系统中的应用系统中的应用 WCDMA定义了两种开环发送分集：时间切换发送分集定义了两种开环发送分集：时间切换发送分集TSTD

18、和和空时发送分集空时发送分集STTD，以及两种不同反馈模式的闭环发送分集。，以及两种不同反馈模式的闭环发送分集。1. 空时发送分集空时发送分集(STTD) 在在WCDMA系统中，下行信道除同步信道外，均可采系统中，下行信道除同步信道外，均可采用空时发送分集用空时发送分集STTD。图。图11.26是下行专用物理信道是下行专用物理信道(DPCH)的空时发送分集编码原理图。的空时发送分集编码原理图。142. 时间切换发送分集时间切换发送分集(TSTD) 在在WCDMA中，同步信道采用中，同步信道采用TSTD，根据时隙号的奇，根据时隙号的奇偶，两个天线轮流交替发送主同步码偶，两个天线轮流交替发送主同步

19、码PSC和辅同步码和辅同步码SSC。TSTD方式可以提高用户端正确同步的概率和缩方式可以提高用户端正确同步的概率和缩短同步搜索的时间，它的主要特点是可以很简单的实短同步搜索的时间，它的主要特点是可以很简单的实现与最大比值合并现与最大比值合并(MRC)性能相当的效果。性能相当的效果。 15 3. 闭环发送分集闭环发送分集 闭环发送分集主要用于闭环发送分集主要用于DPCH 信道。图信道。图11.28是是DPCH信道的闭环发送分集原理方框图。信道的闭环发送分集原理方框图。 WCDMA的的DPCH闭环发送分集有两类模式，闭环发送分集有两类模式，参数如表参数如表11.1所示。表中所示。表中NFED表示每

20、个时隙的表示每个时隙的反馈信息比特数；反馈信息比特数；NW是一个或几个时隙中反是一个或几个时隙中反馈指令长度；馈指令长度；Npo是幅度比特数；是幅度比特数；Nph是相位是相位比特数。比特数。 模式模式1和模式和模式2的最大区别在于模式的最大区别在于模式1的反馈加的反馈加权因子和既包含相位调正信息也包含幅度调权因子和既包含相位调正信息也包含幅度调正信息。正信息。1711.6.3 发送分集在发送分集在CDMA2000系统中的应用系统中的应用 CDMA2000标准中也定义了两种开环发送分集：正交发送分标准中也定义了两种开环发送分集：正交发送分集集(OTD)和空时扩展发送分集和空时扩展发送分集(STS

21、)；两类闭环发送分集：选；两类闭环发送分集：选择式发送分集择式发送分集(STD)和发送分集天线阵和发送分集天线阵(TXAA)。1. 正交发送分集正交发送分集(OTD) 正交发送分集正交发送分集(OTD)的原理框图如图的原理框图如图11.29所示。所示。 交织后的数据经过串交织后的数据经过串/并转换后按照奇偶顺序分并转换后按照奇偶顺序分离为两路离为两路b1和和b2，分别经，分别经QPSK调制后进行符号重调制后进行符号重复处理。其中一路的重复规律是复处理。其中一路的重复规律是(+,+)，另一路的，另一路的重复规律是重复规律是(+,-)，然后分别采用，然后分别采用Walsh码扩频和码扩频和乘以增益系

22、数，再用伪随机乘以增益系数，再用伪随机(PN)序列加扰后送人序列加扰后送人两副天线发射。两副天线间隔大于两副天线发射。两副天线间隔大于10个波长，以个波长，以便保证空间非相关性。便保证空间非相关性。 OTD的关键部分是利用的关键部分是利用Walsh码的正交性来实现码的正交性来实现正交分集，两副天线分别使用不同的正交分集，两副天线分别使用不同的Walsh码码扩频。并且，由于符号重复，扩频码长度加倍，扩频。并且，由于符号重复，扩频码长度加倍，扩频增益扩频增益G增加增加3分贝，提高了系统抗多址干扰分贝，提高了系统抗多址干扰的能力，扩大了系统通信容量。的能力，扩大了系统通信容量。19 2. 空时扩展发

23、送分集空时扩展发送分集(STS) STS是另一种开环发送分集技术，输入数据是另一种开环发送分集技术，输入数据b按奇偶分按奇偶分为并行的两组为并行的两组b1和和b2，它们分别乘以，它们分别乘以Walsh函数函数W1和和W2后再乘以归一化系数后再乘以归一化系数2-0.5。两路发送信号分别为：。两路发送信号分别为：112212bWbWS211222bWbWS20 3. 选择式发送分集选择式发送分集(STD) 选择式发送分集选择式发送分集(STD)是开环的时间切换发送分是开环的时间切换发送分集集TSTD方式的进一步扩展。移动台从基站每个方式的进一步扩展。移动台从基站每个天线发送的公共导频信号中估计出接

24、收到的各天线发送的公共导频信号中估计出接收到的各发射天线信号能量发射天线信号能量(或信噪比或信噪比)，并通过一个反，并通过一个反馈回路将上述信道状态信息反馈给基站，再由馈回路将上述信道状态信息反馈给基站，再由基站根据反馈信息选择能给移动台最大接收能基站根据反馈信息选择能给移动台最大接收能量量(或信噪比或信噪比)的发送天线。选择式发送分集在的发送天线。选择式发送分集在闭环发送分集中结构最为简单，但性能也是最闭环发送分集中结构最为简单，但性能也是最差。差。21 4. 发送自适应阵列发送分集发送自适应阵列发送分集(TXAA) 自适应阵列发送分集自适应阵列发送分集(TXAA)原理如图原理如图11.31所示。基所示。基站收到移动终端反馈来的站收到移动终端反馈来的 实时信道状态信息后，调实时信道状态信息后，调整相关发射天线的增益。两副天线除了发射增益不整相关发射天线的增益。两副天线除了发射增益不一样而外，它们采用相同的扩频码。两副天线发射一样而外，它们采用相同的扩频码。两副天线发射同一信号的目的是为了抗多径衰落，提高传输可靠同一信号的目的是为了抗多径衰落，提高传输可靠性。性。 思考题 MI