空時編碼新技術講座

1、MIMO及其空時編碼技術及其空時編碼技術授課教師：王惠琴介紹內容：nMIMO技術及其信道模型nMIMO的信道容量nSTBC編碼nBLAST空時結構n混合空時編碼1 MIMO技術技術1.1 傳統(tǒng)無線通信方式的缺點：傳統(tǒng)無線通信方式的缺點： 通信業(yè)務的增多和用戶數量的增加，要求提高系統(tǒng)的傳輸速度； 無線信道中存在衰落，嚴重影響通信的質量，要求提高系統(tǒng)的可靠性； 無線資源有限，尤其是頻譜資源變得越來越緊張； 功率過高產生較大的輻射，對人體有害。1.2 MIMO技術技術 研究表明，使用多天線的MIMO技術能夠充分利用空間資源，在不額外增加系統(tǒng)帶寬和天線總發(fā)送功率的情況下，可有效對抗無線信道衰落的影響，

2、大大提高系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量，是實現高速數據傳輸的優(yōu)選技術之一。 BELL實驗室的公布結果：采用8天線系統(tǒng)對角分層空時編碼時，系統(tǒng)可獲和42bps/Hz的頻譜利用率，是單天線系統(tǒng)收發(fā)系統(tǒng)的40多倍。1 MIMO技術技術 MIMO系統(tǒng)在無線通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端都安置多個天線元素，其簡化框圖如圖1.1所示?？梢?，MIMO技術的出發(fā)點是將發(fā)送天線與接收天線相結合以改善每個用戶的通信質量（如差錯率)或者通信效率（如數據速率)。1.2.1 MIMO技術的概念技術的概念 1.2.2 MIMO系統(tǒng)的結構系統(tǒng)的結構 圖1.2 MIMO系統(tǒng)的結構1、分集原理 分集技術是無線通信系統(tǒng)中為對抗各種衰落、提

3、高傳輸性能的一項基本技術。 其基本原理是：將接收到的多個不相關的信號（時間、頻率或空間）的能量（其強度也具有可比性）按一定規(guī)則合并起來，使得組合后得到的有用信號能量最大化。 對數字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最??；對模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比。 分集接收的實質就是在接收端如何將得到的這些不相關的信號副本進行組合。 1.3 MIMO技術中的幾個概念技術中的幾個概念2、合并準則 常用的合并方法有：n選擇性合并：接收機對多個接收分支一直進行掃描，從中選擇信噪比最大的一條支路作為輸出。n等增益合并：n最大比合并：在信號合并之前，需要對多個接收分支進行加權，其加權系數正比于每一支路各自的接收信噪比。

4、 1.3 MIMO技術中的幾個概念技術中的幾個概念 MIMO系統(tǒng)的核心思想是空時信號處理，即在原來時間維的基礎上，通過使用多副天線來增加空間維，從而實現多維信號處理，獲得空間復用增益或空間分集增益。 信道容量信道容量 Bell實驗室的學者分別對高斯噪聲下的MIMO系統(tǒng)信道容量進行了研究。結果表明：在假設個天線獨立的情況下，MIMO系統(tǒng)比單天線系統(tǒng)有顯著的提高，有時可提高40多倍 ； 空間復用提高頻譜利用率空間復用提高頻譜利用率 MIMO系統(tǒng)采用空時處理技術進行信號處理，在豐富的散射環(huán)境下，空分復用MIMO系統(tǒng)(如BLAST結構)可以獲得與天線數成正比的容量增長，從而極大地提高頻譜效率，增加系統(tǒng)

5、的數據傳輸速率 ； 1.4 MIMO系統(tǒng)的主要特征系統(tǒng)的主要特征利用發(fā)送分集提高系統(tǒng)的傳輸性能利用發(fā)送分集提高系統(tǒng)的傳輸性能 它可以將多徑作為一個有利因素加以利用。研究結果表明，MIMO系統(tǒng)能利用多副天線所帶來的多條傳輸路徑來獲得空間分集增益，從而提高系統(tǒng)傳輸性能?；诎l(fā)送分集的空時編碼技術就屬于這種系統(tǒng)。 空間復用和發(fā)送分集的折中空間復用和發(fā)送分集的折中 空間復用技術通過增加系統(tǒng)的自由度，追求的是頻譜效率的極大化，但卻并不適用于低信噪比的環(huán)境；發(fā)送分集技術追求的是分集增益的極大化，卻有可能會導致速率的損失。 1.4 MIMO系統(tǒng)的主要特征系統(tǒng)的主要特征1. 5 當前研究進展當前研究進展 一方

6、面，由于MIMO技術具有很多誘人的優(yōu)點，所以它一經提出就得到了廣泛的關注。另一方面，由于MIMO系統(tǒng)是一個時變、非平穩(wěn)多輸入多輸出系統(tǒng)，故目前對它的研究可謂方興未艾，對其基本理論、關鍍技術的研究正在全面展開，主要集中在：MIMO系系統(tǒng)中的發(fā)送分集和空間復用、波束成形、空時編碼、統(tǒng)中的發(fā)送分集和空間復用、波束成形、空時編碼、空時彌散碼、定時向步、信道估計、自適應編碼調制空時彌散碼、定時向步、信道估計、自適應編碼調制以及多用戶以及多用戶MIMO系統(tǒng)系統(tǒng)，以及MIMO-OFDM系統(tǒng)等等。 2 MIMO系統(tǒng)的信道模型系統(tǒng)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.無線通信的信道模型其中：輸入信號矩陣為： TNtxtxtxtx)(),.,(),()(21輸出信號矩陣為： TMtytytyty)(),.,(),()(21噪聲矩陣為： TMtttt)(),.,(),()(21信道衰減系數為： 2.2 MIMO系統(tǒng)的信道容量系統(tǒng)的信道容量 2.2.1 信道系數確定時的信道系數確定時的MIMO系統(tǒng)的容量系統(tǒng)的容量 根據信息論，可定義MIMO信道的容量為：其中， ： 是矢量 的概率密度函數 ； ： 是矢量 和 之間的互信息量；其中， 和 分別是接收信號矢量和噪聲矢量的熵； ：是在給定 的條件下收到

8、 的條件熵。 );(max)(yxICxp)(xp);( yxIxyx)()()()();(HyHxyHyHyxI)(yH)(H)( xyHxy則互信息量為：)(detlog);(*02HHRNNEIyxIxxsMxxRx其中， 為發(fā)送信號矩陣 的協方差矩陣； 為發(fā)送天線上的總功率。 sE可得MIMO系統(tǒng)的信道容量為： )(detlogmax);(max*02)(,)(,HHRNNEIyxICxxsMNRtrRNRtrRxxxxxxxx該式的信道容量C為MIMO系統(tǒng)鏈路無差錯傳輸的頻譜效率或者單位帶寬上的數據速率。若給定的帶寬為B赫茲，則MIMO系統(tǒng)的最大傳輸速率就為每秒BC比特。 H矩陣的奇

9、異值分解：其中， 和 都是酉矩陣； 為對角矩陣： 是 的正特征值， 因此，MIMO信道可以等效為由矩陣 的特征值表征的特征信道 。 VUHUV)0 , 0 ,(21mdiagm,1 HHW,minMNm W 發(fā)送端已知信道發(fā)送端已知信道CSI的情形的情形信道容量可以化簡為其中， 考慮到 和 為半正定矩陣，采用注水分布原則來分配發(fā)送功率，則系統(tǒng)的信道容量為： 為非零的 的正特征根數目，有 ； 為“水平線 “。 )det(logmax02)(,NDICMEDtrDsVRVNEDxxsxxRD)(log012NCimimxxRmm 發(fā)送端未已知信道發(fā)送端未已知信道CSI的情形的情形 由于發(fā)送端很難得

10、到有關信道的知識，在分析信道容量時，此時只能選擇發(fā)送信號的互協方差矩陣為 ，即在每副發(fā)送天線上發(fā)送等功率、不相關的信號，此時能最大化互信息量的輸入信號是高斯分布，則其信道容量可化簡為： 考慮酉矩陣及行列式的性質，可得信道容量為：NxxIR)(detlog*02HHNNEICsM)1 (log012NNECismi 幾種特殊情形幾種特殊情形 SISO系統(tǒng)： SIMO系統(tǒng)： 采用最大比合并： 選擇性合并： MISO系統(tǒng)： MIMO系統(tǒng)：（正交并行信道）)1 (log202hNECs)1 (log21102jMjshNEC)max1 (log2102jjshNEC)1 (log21102iNishN

11、NEC)1 (log02NNENCs歷經信道容量與信噪比間關系N=M 2.2.2 信道系數隨機時的信道系數隨機時的MIMO系統(tǒng)的容量系統(tǒng)的容量 平均信道容量： 中斷信道容量 ： 定義定義：如果系統(tǒng)的信道容量小于某一固定值 的概率為一個較小的數值 ，即有則稱 為中斷概率，稱 為中斷容量。)(CECavgoutCoutCoutPoutroutPP CCoutCoutP中斷信道容量與信噪比間關系中斷概率為10%，N=M結論：結論：當發(fā)送天線數一定時，信道容量隨著接收天線數的增加而增加；當接收天線數一定時，信道容量隨著發(fā)送天線數的增加而增加，但增加的幅度要小一些，即存在“地板效應”。246810468

12、101214信道容量(Hz*bit/s)天線數n(個) 信噪比SNR=15dB 發(fā) 天 線 數 -1 收 天 線 數-1 收 發(fā) 天 線 數 相 等信噪比一定時，信道容量與天線數量間的關系3 空時編碼空時編碼n空時編碼技術：空時編碼技術： 空時分組碼：（利用正交性） 空時分層編碼： 空時格形碼：（發(fā)射分集和網格碼結合） 差分/酉空時編碼： 空頻碼 ： 3.1 空時分組碼：空時分組碼： Alamouti提出了兩個發(fā)射天線的空時分組碼。其性能、結構簡單，可實現滿速率、滿分集。 3.3.1 編碼原理：編碼原理：STBC的發(fā)送原理 3.3.1 STBC編碼原理：編碼原理：二進制信號經星座映射后得到調制

13、符號 ，再經STBC編碼后得到碼子矩陣為：*12*21xxxxX,21xx碼字矩陣滿足的關系： （正交性）12120TXXx xx x3.1.2 STBC譯碼原理譯碼原理圖 Alamouti空時碼的接收機接收天線在時刻t和t+T的接收信號分別為r1、r2,有 采用極大似然譯碼，即從星座中找出一對符號 ，使下式的歐式距離最?。?*12*212122111)(xhxhrxhxhr),(21xxmin),(),(122122221112xhxhrdxhxhrd接收端得到合并后的信號為1212222121122221112221221112)()()()(hhxhhrhrhxhhxhhrhrhx3.1

14、.3 正交空時分組碼正交空時分組碼 為了將空時分組碼推廣到多個天線，通常有著兩種思路： 一種：是vapid Tarokh等人基于滿分集提出了正交空時分組碼; 另一種：是H.Jafarkhani等基于滿傳輸率提出了準正交空時分組碼。3.1.3 正交空時分組碼正交空時分組碼 實信號的空時分組碼設計：MIMO系統(tǒng)的編碼矩陣碼率：單位時間片內平均發(fā)送的調制符號的個數。1PKR2N4N12221xxXxx結論： 碼率為1，頻譜效率為m ; 沒有帶寬損失。即在獲得最大分集增益的同時可以獲得m 的頻譜效率； 由于各天線上發(fā)送的信號是相互正交的，這使得接收端的極大似然譯碼算法容易實現，進行簡單的線性處理即可。

15、HZbps/HZbps/8N1R5N基于方陣的實正交碼設計困難，可推廣到非方陣：1R3N1R6N7N1R 復信號的空時分組碼設計：復信號的空時分組碼設計：3N4N21R21R瑞利衰落，16QAM調制，不同合并準則下的誤碼率曲線（慢衰落）1x2 和2x1系統(tǒng)的斜率相同，2x2 和1x4系統(tǒng)的斜率相同，說明具有相同的分集增益。接收天線數為1時，瑞利衰落下的誤碼率曲線4 BLAST分層空時碼分層空時碼4.1分層空時碼的模型分層空時碼的模型4.2 分層空時碼的分類：分層空時碼的分類：按發(fā)送端分路的不同方式可分為： 水平分層空時編碼（VBLAST coding）； 垂直分層空時編碼（HBLAST cod

16、ing）； 對角空時分層編碼（DBLAST coding）；4.2 分層空時碼的編碼原理分層空時碼的編碼原理對角空時分層碼對角空時分層碼三種碼的特點：n對角分層空時碼：具有較好的空時特性和層次結構，它是可以達到MIMO系統(tǒng)理論容量的一種空時復用方案，但具 有的 傳輸冗余，且由于其編碼與譯碼都比較復雜，故在實際應用中并不多見。n水平分層空時碼：編碼雖然容易實現，但由于空時特性最差也很少使用。n垂直分層空時碼：其空時特性及其層次結構較對角分層空時編碼要差一些，但沒有傳輸冗余，且由于垂直分層空時碼結構簡單，故在實際中應用較多。bitNN2)1(4.3 分層空時碼的譯碼分層空時碼的譯碼 最大似然譯碼算

17、法（ML）： 線性譯碼算法：n迫零算法：n最小均方誤差譯碼算法：4.3 分層空時碼的譯碼（算法）分層空時碼的譯碼（算法）2minargHXrXGrx HHHHHG1)(rHINHHGrxHMH10)( 非線性譯碼算法n不排序的串行干擾消除： 首先從接收向量中檢測出某一天線發(fā)送數據的對應分量.再從接收向量中消去其影響.然后繼續(xù)依次檢測剩余的分量。每個分量被檢測出后.便用于消除其對剩下的信號的影響。n排序的串行干擾消除： 按照信噪比的大小進行排序，首先檢測出信噪比最大的一路信號，再從接收向量中消去其影響.然后再次按信噪比的大小進行排序，繼續(xù)依次檢測剩余的分量。 依據不同的線性檢測方法.可以分為ZF

18、 SIC和 MMSE SIC。n并行干擾抵消（PIC）： 首先進行初始判決，得到初值；再消除干擾的影響 ，進行判決。n球形解碼(Sphere-Decode)： 和最大似然譯碼有相似的性能，但算法簡單。當發(fā)送信息符號向量是等概率時，它等價于求解如下的代價函數問題， n迭代譯碼算法： 非線性譯碼算法2minargHxrxxML譯碼算法的誤碼性能譯碼算法的誤碼性能瑞利衰落下，4QAM調制，M=4誤碼率曲線瑞利衰落下，16QAM調制，M=4誤碼率曲線5 STBC+BLAST的混合空時編碼nBLAST碼的優(yōu)點：復用增益高，能夠獲得極高的頻譜效率；nBLAST碼的缺點是：誤碼率大，譯碼算法復雜；nSTBC碼的優(yōu)點：分集增益大，誤碼率較??；nSTBC碼的缺點：損失了復用增益，系統(tǒng)的傳輸速率較低。5 STBC+BLAST的混合空時編碼5 STBC+BLAST的混合空時編碼不